JP7039782B2 - Thermal power plant, co-firing boiler and boiler modification method - Google Patents

Thermal power plant, co-firing boiler and boiler modification method Download PDF

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Description

本開示は、火力発電プラント、混焼ボイラ及びボイラの改造方法の分野に関する。 The present disclosure relates to the fields of thermal power plants, co-firing boilers and boiler modification methods.

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。 Conventionally, in thermal power plants, it has been an issue to reduce carbon dioxide emissions in consideration of the impact on the global environment, and reduction of fossil fuel consumption and conversion to energy resources to replace fossil fuels have been made. It is planned. Ammonia and hydrogen, which do not contain carbon and do not generate carbon dioxide during combustion, are attracting attention as new environment-friendly energy resources for such a low-carbon society.

ところで、火力発電プラントにアンモニアを用いる技術として、特許文献１には化石燃料を燃焼させる複数のバーナと、これら複数のバーナの下流側で上記バーナでの不足分の燃焼用空気を火炉内に供給するアフタエアノズルを備え、最上段に位置するバーナと上記アフタエアノズルとの間において火炉内に還元剤としてのアンモニアを注入する構成が開示されている。 By the way, as a technique for using ammonia in a thermal power generation plant, Patent Document 1 describes a plurality of burners for burning fossil fuels and a shortage of combustion air in the burners is supplied into the furnace on the downstream side of the plurality of burners. A configuration is disclosed in which an after-air nozzle is provided, and ammonia as a reducing agent is injected into the furnace between the burner located at the uppermost stage and the after-air nozzle.

特開２０１２－９３０１３号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-93013

ここで、ボイラの火炉を構成する火炉壁は、一般に、内部に流体が流れる複数の火炉壁管とこれら複数の火炉壁管同士の間に配置されたフィンとを含んで構成される。このため、火炉壁を貫通するようにして新たに燃料や空気の供給ポートを接続する際は、流体の流れを阻害せずに該供給ポートを回避するように火炉壁管を屈曲させる必要があり、屈曲部を含む火炉壁管と入れえたり、上記供給ポート周辺における炉内外の気密性又は液密性を確保したりする必要があるため、改修工事が大掛かりとなる。この点、上記特許文献１に記載のボイラは、火炉内に還元剤としてアンモニアを供給するように構成されているが、アンモニアの供給ポートを設ける際における上記の問題について何ら対策が開示されていない。
また、アンモニアを燃料として火炉へ供給する際は、化石燃料等の炭素含有燃料と共に火炉内へアンモニアを供給する必要があるが、炭素含有燃料用のバーナは炭素含有燃料を効率的に燃焼させ得るように構成されており、このようなバーナをアンモニア供給用に用いる際には燃焼安定性低下への対策としてバーナの改造が必要となる。よって、この場合も改修工事が大掛かりになるという問題があった。 Here, the furnace wall constituting the boiler furnace is generally composed of a plurality of furnace wall pipes through which a fluid flows and fins arranged between the plurality of furnace wall pipes. Therefore, when connecting a new fuel or air supply port so as to penetrate the furnace wall, it is necessary to bend the furnace wall pipe so as to avoid the supply port without obstructing the flow of fluid. Since it is necessary to insert it into the furnace wall pipe including the bent part and to secure the airtightness or liquidtightness inside and outside the furnace around the supply port, the repair work is large-scale. In this regard, the boiler described in Patent Document 1 is configured to supply ammonia as a reducing agent into the furnace, but no countermeasures are disclosed for the above-mentioned problems in providing the ammonia supply port. ..
Further, when supplying ammonia as a fuel to the furnace, it is necessary to supply the ammonia into the furnace together with the carbon-containing fuel such as fossil fuel, but the burner for the carbon-containing fuel can burn the carbon-containing fuel efficiently. When such a burner is used for supplying fuel, it is necessary to modify the burner as a countermeasure against a decrease in combustion stability. Therefore, in this case as well, there is a problem that the repair work becomes large-scale.

上記事情に鑑み、本開示における幾つかの実施形態では、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることを目的とする。 In view of the above circumstances, some embodiments in the present disclosure aim to make ammonia available as a fuel while suppressing changes to the structure or design of existing boilers.

（１）本開示の少なくとも一実施形態に係る混焼ボイラは、
開口部を有する火炉壁を含む火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
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ユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備える炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラであって、
前記バーナユニットは、
前記炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第１バーナと、
前記アンモニア燃料を前記火炉内に供給するためのアンモニア燃料供給ポートと、
を含む。 (1) The co-firing boiler according to at least one embodiment of the present disclosure is
A furnace that includes a furnace wall with an opening,
A burner unit attached to the opening of the furnace wall and
A carbon-containing fuel and ammonia fuel co-firing boiler including an additional air supply unit provided on the downstream side of the burner unit in the flow direction of combustion gas in the furnace.
The burner unit is
With at least one first burner configured to burn the carbon-containing fuel,
An ammonia fuel supply port for supplying the ammonia fuel into the furnace,
including.

本発明者らの知見によれば、バーナユニットの下流側に追加空気供給部を備えた所謂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Ｎ２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。
そして、上記（１）の構成によれば、既設のバーナユニットを改造したりバーナユニットを新設したりする際に、炭素含有燃料を燃焼させる各々の第１バーナ自体の設計変更を必要とせずにアンモニア燃料供給ポートから火炉内にアンモニア燃料を供給することができるから、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることができる。またこれにより、第１バーナの燃焼安定性を損なうことなくアンモニア混焼ボイラでのＮＯｘ排出量を低減することができる。
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。
また、アンモニア燃料供給ポートは、ボイラの稼働時に実際に炭素含有燃料を供給している第１バーナ以外の噴射口又はポートであればよく、少なくとも一つの第１バーナのうちボイラの稼働時に炭素含有燃料の供給に用いない第１バーナをアンモニア燃料供給ポートとして用いてもよい。 According to the findings of the present inventors, in a so-called two-stage combustion boiler equipped with an additional air supply unit on the downstream side of the burner unit, if the ammonia fuel is charged to a position upstream of the additional air supply unit, the inside of the furnace In the reducing atmosphere of the above, the nitrogen content of the ammonia fuel is reduced to N 2 , and the increase in NOx concentration can be suppressed while suppressing the emission of unburned ammonia due to the combustion of the ammonia fuel.
Further, according to the configuration of (1) above, when the existing burner unit is modified or a new burner unit is installed, the design of each first burner that burns the carbon-containing fuel does not need to be changed. Since ammonia fuel can be supplied into the furnace from the ammonia fuel supply port, ammonia can be used as fuel while suppressing changes to the structure or design of the existing boiler. Further, this makes it possible to reduce the NOx emissions in the ammonia co-firing boiler without impairing the combustion stability of the first burner.
In the present specification, the "ammonia fuel" refers to a fuel containing ammonia, and may contain other components (for example, hydrogen, water, nitrogen, etc.) together with ammonia.
Further, the ammonia fuel supply port may be an injection port or port other than the first burner that actually supplies carbon-containing fuel when the boiler is operating, and may contain carbon when the boiler is operating among at least one first burner. A first burner not used for fuel supply may be used as an ammonia fuel supply port.

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記アンモニア燃料供給ポートは、前記バーナユニットのうち最上流側又は最下流側に位置してもよい。 (2) In some embodiments, in the configuration of (1) above,
The ammonia fuel supply port may be located on the most upstream side or the most downstream side of the burner unit.

上記（２）の構成により、アンモニア燃料供給ポートがバーナユニットの最上流側に配置された場合は、第１バーナから投入された炭素含有燃料の燃焼領域の下流側に形成される還元雰囲気を、燃焼ガスの流れ方向の上流から下流の全域に亘ってアンモニア燃料が通過するから、アンモニア燃料が還元雰囲気に晒される時間を十分に長く確保することができる。よって、未燃アンモニア及びＮＯｘの排出をより効果的に低減することができる。一方、アンモニア燃料供給ポートがバーナユニットの最下流側に配置された場合は、火炉内に投入されたアンモニア燃料が燃焼ガスの流れに乗って下流側に案内されるから、流れに乗らずに炉底部に滞留したりすることを抑制することができる。 According to the configuration of (2) above, when the ammonia fuel supply port is arranged on the most upstream side of the burner unit, the reducing atmosphere formed on the downstream side of the combustion region of the carbon-containing fuel input from the first burner is created. Since the ammonia fuel passes over the entire area from the upstream to the downstream in the flow direction of the combustion gas, it is possible to secure a sufficiently long time for the ammonia fuel to be exposed to the reducing atmosphere. Therefore, the emission of unburned ammonia and NOx can be reduced more effectively. On the other hand, when the ammonia fuel supply port is located on the most downstream side of the burner unit, the ammonia fuel input into the furnace is guided to the downstream side by the flow of combustion gas, so the furnace does not get on the flow. It is possible to prevent it from staying at the bottom.

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記アンモニア燃料供給ポートは、前記ボイラの稼働時に前記炭素含有燃料の供給を受けていない第２バーナの燃料噴射口又は空気ポートであってもよい。 (3) In some embodiments, in the configuration of (1) above,
The ammonia fuel supply port may be a fuel injection port or an air port of a second burner that is not supplied with the carbon-containing fuel when the boiler is in operation.

上記（３）の構成によれば、ボイラの稼働時に炭素含有燃料の供給を受けていない第２バーナの燃料噴射口又は空気ポートをアンモニア燃料供給ポートとして用いて火炉内にアンモニア燃料を供給することができる。つまり、炭素含有燃料を燃焼可能に構成された少なくとも一つの第１バーナのうち、ボイラの稼働時に炭素含有燃料の供給に用いていない第１バーナをアンモニア燃料供給用の第２バーナとして用いることで火炉内にアンモニア燃料を供給することができる。よって、既設の設備又は設計を有効に活用し、簡易な構成で、燃焼安定性を損なわずにＮＯｘ排出量を低減し得るアンモニア混焼ボイラを実現することができる。 According to the configuration of (3) above, the ammonia fuel is supplied into the furnace by using the fuel injection port or the air port of the second burner, which is not supplied with the carbon-containing fuel during the operation of the boiler, as the ammonia fuel supply port. Can be done. That is, among at least one first burner configured to combust the carbon-containing fuel, the first burner that is not used for supplying the carbon-containing fuel during the operation of the boiler is used as the second burner for supplying the ammonia fuel. Ammonia fuel can be supplied into the furnace. Therefore, it is possible to realize an ammonia co-firing boiler that can reduce NOx emissions without impairing combustion stability by effectively utilizing the existing equipment or design and having a simple configuration.

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）～（３）の何れか１つに記載の構成において、
前記アンモニア燃料供給ポートは、前記火炉内に前記アンモニア燃料と空気とを供給するように構成されてもよい。 (4) In some embodiments, in the configuration according to any one of (1) to (3) above,
The ammonia fuel supply port may be configured to supply the ammonia fuel and air into the furnace.

上記（４）の構成によれば、アンモニア燃料供給ポートからアンモニア燃料と空気とを供給することができる。これにより、例えば、アンモニア燃料供給ポートから供給するアンモニア燃料と空気との比率を必要に応じて調整することで、火炉内に投入する空気量の調整にアンモニア燃料供給ポートを用いることができるから、空気量調節の自由度の向上が図られる。 According to the configuration of (4) above, ammonia fuel and air can be supplied from the ammonia fuel supply port. As a result, for example, by adjusting the ratio of the ammonia fuel supplied from the ammonia fuel supply port to the air as necessary, the ammonia fuel supply port can be used to adjust the amount of air to be input into the furnace. The degree of freedom in adjusting the amount of air is improved.

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）～（３）の何れか１つに記載の構成において、
前記アンモニア燃料供給ポートは、前記火炉内に前記アンモニア燃料のみを供給するように構成されてもよい。 (5) In some embodiments, in the configuration according to any one of (1) to (3) above,
The ammonia fuel supply port may be configured to supply only the ammonia fuel into the furnace.

上記（５）の構成によれば、アンモニア燃料供給ポートからはアンモニア燃料のみ供給するように構成された混焼ボイラにおいて、上記（１）～（３）の何れかで述べた効果を享受することができる。 According to the configuration of (5) above, the effect described in any one of (1) to (3) above can be enjoyed in the co-firing boiler configured to supply only ammonia fuel from the ammonia fuel supply port. can.

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）～（５）の何れか１つに記載の構成において、
前記火炉のうち前記アンモニア燃料供給ポートの設置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［ｍ３］とし、前記火炉内の燃焼ガスの体積流量をＦ［ｍ３／ｓｅｃ］としたとき、前記アンモニア燃料供給ポートの設置位置はＶ／Ｆ≧１［ｓｅｃ］を満たすように設定されてもよい。 (6) In some embodiments, in the configuration according to any one of (1) to (5) above,
The volume of the portion of the furnace between the installation position of the ammonia fuel supply port and the installation position of the additional air supply unit is V [m 3 ], and the volumetric flow rate of the combustion gas in the furnace is F [m 3 /. When [sec] is set, the installation position of the ammonia fuel supply port may be set so as to satisfy V / F ≧ 1 [sec].

上記（６）の構成によれば、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することにより、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。 According to the configuration of (6) above, by setting the ammonia supply position sufficiently upstream of the additional air supply unit (position satisfying V / F ≧ 1 [sec]), ammonia in the reduction region in the furnace is set. The residence time of the fuel can be secured for 1 sec or more, and the NOx concentration can be reduced more effectively.

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）～（６）の何れか１つに記載の構成において、
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。 (7) In some embodiments, in the configuration according to any one of (1) to (6) above,
The calorie ratio of the ammonia fuel to the total fuel may be 10% or more and 30% or less.

本発明者らの知見によれば、炉出口におけるＮＯｘ濃度は全燃料に対するアンモニア燃料の混焼率に概ね比例するが、上記（７）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。 According to the findings of the present inventors, the NOx concentration at the furnace outlet is roughly proportional to the co-firing ratio of the ammonia fuel with respect to the total fuel, but according to the configuration of (7) above, the emission of unburned ammonia is suppressed and the NOx concentration is reduced. It is possible to achieve both reduction and reduction.

（８）本開示の少なくとも一実施形態に係る混焼ボイラは、
開口部を有する火炉壁を含む火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
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ユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備えた炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラであって、
前記バーナユニットは、
前記炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第１バーナと、
前記炭素含有燃料と前記アンモニア燃料とを選択的に切り替えて前記火炉内に供給可能な第３バーナと、を含む。 (8) The co-firing boiler according to at least one embodiment of the present disclosure is
A furnace that includes a furnace wall with an opening,
A burner unit attached to the opening of the furnace wall and
A carbon-containing fuel and ammonia fuel co-firing boiler equipped with an additional air supply unit provided on the downstream side of the burner unit in the flow direction of combustion gas in the furnace.
The burner unit is
With at least one first burner configured to burn the carbon-containing fuel,
It includes a third burner capable of selectively switching between the carbon-containing fuel and the ammonia fuel and supplying the fuel into the furnace.

上記（８）の構成によれば、第３バーナを切り替えて用いることにより、混焼ボイラは、第１バーナと第３バーナとの両方から炭素含有燃料を供給する場合と、第１バーナから炭素含有燃料を供給するとともに、第３バーナからはアンモニア燃料のみを供給する場合とで切り替えて運転することができる。このような第３バーナは、例えば、第１バーナにおける炭素含有燃料の供給ラインにアンモニア燃料の供給ラインとバルブとを付設することで実現できるから、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることができる。またこれにより、第１バーナの燃焼安定性を損なうことなくアンモニア混焼ボイラでのＮＯｘ排出量を低減することができる。 According to the configuration of (8) above, by switching and using the third burner, the co-firing boiler supplies carbon-containing fuel from both the first burner and the third burner, and carbon-containing fuel from the first burner. The fuel can be supplied and the operation can be switched between the case where only the ammonia fuel is supplied from the third burner. Since such a third burner can be realized, for example, by attaching an ammonia fuel supply line and a valve to the carbon-containing fuel supply line in the first burner, it is possible to suppress changes to the structure or design of the existing boiler. However, ammonia can be used as a fuel. Further, this makes it possible to reduce the NOx emissions in the ammonia co-firing boiler without impairing the combustion stability of the first burner.

（９）本開示の少なくとも一実施形態に係る火力発電プラントは、
上記（１）～（８）の何れか１つに記載の混焼ボイラと、
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。 (9) The thermal power plant according to at least one embodiment of the present disclosure is
The mixed-fire boiler according to any one of (1) to (8) above, and
It comprises a steam turbine driven by the steam generated by the boiler.

上記（９）の構成によれば、炭素含有燃料とアンモニア燃料との混焼ボイラを備えた火力発電プラントにおいて、上記（１）で述べたように、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることができ、また、炭素含有燃料を燃焼させる第１バーナの燃焼安定性を損なうことなくアンモニア混焼ボイラでのＮＯｘ排出量及び未燃アンモニアの排出を低減することができる火力発電プラントを実現することができる。 According to the configuration of (9) above, in a thermal power plant equipped with a co-combustion boiler of carbon-containing fuel and ammonia fuel, as described in (1) above, changes to the structure or design of the existing boiler are suppressed. At the same time, ammonia can be used as fuel, and NOx emissions and unburned ammonia emissions in the ammonia co-firing boiler are reduced without compromising the combustion stability of the first burner that burns the carbon-containing fuel. It is possible to realize a thermal power plant that can be used.

（１０）本開示の少なくとも一実施形態に係るボイラの改造方法は、
開口部を有する火炉壁を含む火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
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ユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備えるボイラの改造方法であって、
前記バーナユニットは、
前記バーナユニットの最上流側に位置する上流側空気ポートと、
前記バーナユニットの最下流側に位置する下流側空気ポートと、
前記流れ方向において前記上流側空気ポートと前記下流側空気ポートとの間に位置する複数のバーナと、
を含み、
前記上流側空気ポート、前記下流側空気ポート、または、前記複数のバーナのうち前記ボイラの稼働時に炭素含有燃料が流れる第１バーナ以外の第２バーナに対して、アンモニア燃料の供給ラインを接続するステップを備える。 (10) The method of modifying the boiler according to at least one embodiment of the present disclosure is as follows.
A furnace that includes a furnace wall with an opening,
A burner unit attached to the opening of the furnace wall and
A method for modifying a boiler including an additional air supply unit provided on the downstream side of the burner unit in the flow direction of combustion gas in the furnace.
The burner unit is
The upstream air port located on the most upstream side of the burner unit,
A downstream air port located on the most downstream side of the burner unit,
A plurality of burners located between the upstream air port and the downstream air port in the flow direction,
Including
An ammonia fuel supply line is connected to the upstream air port, the downstream air port, or a second burner other than the first burner through which carbon-containing fuel flows during operation of the boiler among the plurality of burners. Have steps.

上記（１０）の方法によれば、炭素含有燃料を燃焼させる各々の第１バーナ自体の設計変更を必要とせずに、ボイラの追加空気供給部の上流側にアンモニア燃料の供給ライン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Ｎ２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、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることができるとともに、第１バーナの燃焼安定性を損なうことなく、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でき、且つ、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アンモニア混焼ボイラを簡易な方法で実現することができる。 According to the method (10) above, a modification to install an ammonia fuel supply line on the upstream side of the additional air supply section of the boiler without requiring a design change of each first burner that burns the carbon-containing fuel. By the construction, the nitrogen content of the ammonia fuel can be decomposed into N2 by utilizing the reducing atmosphere in the furnace, and it becomes possible to suppress the emission of unburned ammonia and the increase of the NOx concentration due to the combustion of the ammonia fuel. As a result, ammonia can be used as a fuel while suppressing changes to the structure or design of the existing boiler, and carbon dioxide is generated during combustion without impairing the combustion stability of the first burner. It is possible to realize an ammonia co-combustion boiler that can enjoy the advantages of ammonia for which storage and transportation technologies have been established, and can suppress the emission of unburned ammonia and reduce the NOx concentration. ..

（１１）幾つかの実施形態では、上記（１０）に記載の方法において、
前記アンモニア燃料の供給ラインを接続するステップでは、前記上流側空気ポート又は前記下流側空気ポートに前記アンモニア燃料の供給ラインを接続してもよい。 (11) In some embodiments, in the method described in (10) above,
In the step of connecting the ammonia fuel supply line, the ammonia fuel supply line may be connected to the upstream air port or the downstream air port.

上記（１１）の方法によれば、既設のバーナユニットを改造する際に、炭素含有燃料を燃焼させる各々の第１バーナ自体の設計変更を必要としないから、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、第１バーナの燃焼安定性を損なうことなく未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減とを実現することができる。 According to the method (11) above, when the existing burner unit is remodeled, it is not necessary to change the design of each first burner that burns the carbon-containing fuel, so that the components of the existing boiler are effectively utilized. Therefore, the remodeling work can be kept on a small scale, and the emission of unburned ammonia can be suppressed and the NOx concentration can be reduced without impairing the combustion stability of the first burner.

（１２）幾つかの実施形態では、上記（１１）に記載の方法において、
前記アンモニア燃料の供給ラインを接続するステップでは、前記上流側空気ポートに前記アンモニア燃料の供給ラインを接続してもよい。 (12) In some embodiments, in the method described in (11) above,
In the step of connecting the ammonia fuel supply line, the ammonia fuel supply line may be connected to the upstream air port.

上記（１２）の方法によれば、アンモニア燃料の供給ラインがバーナユニットの最上流側に配置されるから、第１バーナから投入された炭素含有燃料の燃焼領域の下流側に形成される還元雰囲気を、燃焼ガスの流れ方向の上流から下流の全域に亘ってアンモニア燃料が通過する。よって、アンモニア燃料が還元雰囲気に晒される時間を十分に長く確保することができるから、未燃アンモニア及びＮＯｘの排出をより効果的に低減することができる。 According to the method (12) above, since the ammonia fuel supply line is arranged on the most upstream side of the burner unit, the reducing atmosphere formed on the downstream side of the combustion region of the carbon-containing fuel input from the first burner. Ammonia fuel passes through the entire area from upstream to downstream in the flow direction of the combustion gas. Therefore, since it is possible to secure a sufficiently long time for the ammonia fuel to be exposed to the reducing atmosphere, it is possible to more effectively reduce the emission of unburned ammonia and NOx.

（１３）本開示の少なくとも一実施形態に係る混焼ボイラの運転方法は、
炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラの運転方法であって、
前記炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第１バーナには前記炭素含有燃料を供給し、
前記炭素含有燃料と前記アンモニア燃料とを選択的に切り替えて前記混焼ボイラの火炉内に供給可能な第３バーナから前記アンモニア燃料を供給するときは、前記第３バーナから前記炭素含有燃料を供給しない。 (13) The operation method of the co-firing boiler according to at least one embodiment of the present disclosure is as follows.
It is a method of operating a co-firing boiler of carbon-containing fuel and ammonia fuel.
The carbon-containing fuel is supplied to at least one first burner configured to burn the carbon-containing fuel.
When the ammonia fuel is supplied from the third burner that can be supplied into the furnace of the co-firing boiler by selectively switching between the carbon-containing fuel and the ammonia fuel, the carbon-containing fuel is not supplied from the third burner. ..

上記（１３）の方法によれば、上記（８）で述べたように、第３バーナを切り替えて用いることにより、混焼ボイラは、第１バーナと第３バーナとの両方から炭素含有燃料を供給する場合と、第１バーナから炭素含有燃料を供給するとともに、第３バーナからはアンモニア燃料のみを供給する場合とで切り替えて運転することができる。このような第３バーナは、例えば、第１バーナにおける炭素含有燃料の供給ラインにアンモニア燃料の供給ラインとバルブとを付設することで実現できるから、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることができる。またこれにより、第１バーナの燃焼安定性を損なうことなくアンモニア混焼ボイラでのＮＯｘ排出量を低減することができる。 According to the method (13) above, as described in (8) above, by switching and using the third burner, the co-firing boiler supplies carbon-containing fuel from both the first burner and the third burner. It is possible to switch between the case where the carbon-containing fuel is supplied from the first burner and the case where only the ammonia fuel is supplied from the third burner. Since such a third burner can be realized, for example, by attaching an ammonia fuel supply line and a valve to the carbon-containing fuel supply line in the first burner, it is possible to suppress changes to the structure or design of the existing boiler. However, ammonia can be used as a fuel. Further, this makes it possible to reduce the NOx emissions in the ammonia co-firing boiler without impairing the combustion stability of the first burner.

本開示の幾つかの実施形態によれば、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることができる。またこれにより、燃焼安定性を損なうことなくアンモニア混焼ボイラでのＮＯｘ排出量を低減することができる。 According to some embodiments of the present disclosure, ammonia can be used as a fuel while suppressing changes to the structure or design of the existing boiler. Further, this makes it possible to reduce the NOx emissions in the ammonia co-firing boiler without impairing the combustion stability.

一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。It is a schematic diagram which shows the structural example of the thermal power plant which concerns on one Embodiment. 一実施形態に係るボイラの構成例を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the boiler which concerns on one Embodiment. 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。It is a schematic diagram for demonstrating the residence time of ammonia in a furnace. 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。It is a figure which shows the relationship between the co-firing rate of ammonia with respect to all fuels including ammonia and fossil fuel, and the amount of NOx increase at a furnace outlet. 二段燃焼における主燃料の１段空気比と、混焼したアンモニアの１段燃焼出口におけるアンモニアリーク率及びＮＯｘ転換率を示す図である。It is a figure which shows the 1st stage air ratio of the main fuel in the 2nd stage combustion, and the ammonia leak rate and NOx conversion rate at the 1st stage combustion outlet of the co-firing ammonia. 一実施形態におけるバーナユニットの構成例を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the burner unit in one Embodiment. 幾つかの実施形態におけるバーナを示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the burner in some embodiments.

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。 Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, etc. of the components described as embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention to this, but are merely explanatory examples. do not have.
For example, expressions that represent relative or absolute arrangements such as "in one direction", "along a certain direction", "parallel", "orthogonal", "center", "concentric" or "coaxial" are exact. Not only does it represent such an arrangement, but it also represents a tolerance or a state of relative displacement at an angle or distance to the extent that the same function can be obtained.
For example, expressions such as "same", "equal", and "homogeneous" that indicate that things are in the same state not only represent exactly the same state, but also have tolerances or differences to the extent that the same function can be obtained. It shall also represent the existing state.
For example, an expression representing a shape such as a quadrangular shape or a cylindrical shape not only represents a shape such as a quadrangular shape or a cylindrical shape in a geometrically strict sense, but also an uneven portion or a chamfer within the range where the same effect can be obtained. It shall also represent the shape including the part and the like.
On the other hand, the expressions "equipped", "equipped", "equipped", "included", or "have" one component are not exclusive expressions excluding the existence of other components.

図１は、本開示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、本開示の幾つかの実施形態に係る混焼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、炭素含有燃料とアンモニア燃料との混焼ボイラ２（以下、ボイラ２またはアンモニア混焼ボイラ２ともいう）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。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a thermal power plant according to some embodiments of the present disclosure, and FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a co-firing boiler according to some embodiments of the present disclosure. Is.
As shown in FIG. 1, the thermal power plant 1 is generated by being heated by a co-firing boiler 2 of a carbon-containing fuel and an ammonia fuel (hereinafter, also referred to as a boiler 2 or an ammonia co-firing boiler 2) and heat generated by the boiler 2. A steam turbine 3 driven by the steam generated, a generator 4 driven by the steam turbine 3 to generate power, a condenser 5 that contributes to power generation and returns the steam that has finished work to the liquid phase, and a condenser 5. It is provided with a pump 6 for circulating the water liquefied in the above, and a chimney 8 for discharging the exhaust from the boiler 2.

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ライン３４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又はバイオマスを含む炭素含有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ライン３４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。 In some embodiments, the thermal power plant 1 comprises an ammonia fuel supply line 34 for supplying ammonia fuel to the boiler 2. The thermal power generation plant 1 has a configuration in which a steam turbine 3 is driven by heat generated by burning at least a carbon-containing fuel containing fossil fuel or biomass to generate electricity, and an ammonia fuel for supplying ammonia fuel to the boiler 2. It suffices to have a supply line 34, and various configurations other than the above configurations may be provided as needed.

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３ａを駆動した後の蒸気は、例えば、再熱器等の熱交換器７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。 In the steam turbine 3, water as a heat medium is heated by the high-temperature gas from the boiler 2 through a heat exchanger 7 such as a furnace heat transfer tube, a coal saver, and a superheater, and the high-pressure steam (high-pressure ST) obtained thereby is heated. ), And a low-pressure turbine 3b that is rotated and driven by low-pressure steam (low-pressure ST) after rotating the high-pressure turbine 3a.
Further, the steam turbine 3 is not limited to the example of FIG. 1, and may have, for example, another tandem compound (comb shape) or cross compound (parallel type) configuration. Further, the steam turbine 3 may be composed of a unit composed of a combination of various high-pressure, medium-pressure, and low-pressure turbines. In this case, the steam after driving the high-pressure turbine 3a may be supplied to the medium-pressure turbine after being reheated in the boiler 2 by a heat exchanger 7 such as a reheater, for example.

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、図示しないミルにより炭素含有燃料としての石炭（化石燃料）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。また、炭素含有燃料は化石燃料のほかバイオマス燃料を含み得る。 Next, the boiler 2 in some embodiments will be described in detail.
In some embodiments, the boiler 2 is a pulverized coal-fired boiler configured to burn pulverized coal (coal pulverized powder) produced by crushing coal (fossil fuel) as a carbon-containing fuel by a mill (not shown). May be. In some embodiments, the boiler 2 can be configured as a co-firing boiler that uses an ammonia fuel in addition to the fossil fuel as the fuel and co-fires the fossil fuel with the ammonia fuel. The fossil fuel is not limited to pulverized coal, and may be other types or other forms of fossil fuel such as heavy oil, light oil, and liquefied natural gas (LNG). Further, the carbon-containing fuel may include biomass fuel as well as fossil fuel.

そして、本開示の少なくとも幾つかの実施形態に係る混焼ボイラ２は、開口部２１（図６参照）を有する火炉壁２１ａを含む火炉２０と、火炉壁２１ａの開口部２１に取り付けられるバーナユニット３０と、火炉２０内における燃焼ガスの流れ方向Ａ（図１参照）においてバーナユニット３０の下流側（図１及び図２においてバーナ３１の上方側）に設けられる追加空気供給部３３と、を備える炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラ２として設けられる。 The co-combustion boiler 2 according to at least some embodiments of the present disclosure includes a furnace 20 including a furnace wall 21a having an opening 21 (see FIG. 6), and a burner unit 30 attached to the opening 21 of the furnace wall 21a. A carbon provided with an additional air supply unit 33 provided on the downstream side of the burner unit 30 (upper side of the burner 31 in FIGS. 1 and 2) in the flow direction A (see FIG. 1) of the combustion gas in the furnace 20. It is provided as a co-firing boiler 2 of a contained fuel and an ammonia fuel.

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４８に連通している。
そして、本開示の一実施形態におけるバーナユニット３０は、ボイラ２の稼働時に炭素含有燃料を燃焼させる少なくとも一つのバーナ（第１バーナ）３１と、アンモニア燃料を火炉２０内に供給するためのアンモニア燃料供給ポート２４と、を含む。なお、アンモニア燃料供給ポート３１は第１バーナ３１とは別に設けられていてもよい（例えば、図７（ａ）参照）。 The furnace 20 is a cylindrical hollow body that reacts and burns fuel and combustion air, and can take various forms such as a cylindrical shape and a square columnar shape. In some embodiments, the furnace 20 includes a furnace wall portion 20a and a furnace bottom portion 20b and communicates with the flue 48 on the downstream side of the combustion gas flow direction A, that is, on the upper side of the furnace 20.
The burner unit 30 according to the embodiment of the present disclosure includes at least one burner (first burner) 31 that burns carbon-containing fuel during operation of the boiler 2, and an ammonia fuel for supplying ammonia fuel into the furnace 20. Includes supply port 24 and. The ammonia fuel supply port 31 may be provided separately from the first burner 31 (see, for example, FIG. 7A).

バーナ３１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、オイル又はガス並びに燃焼用の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３１に化石燃料を供給するための第１燃料供給ライン３８を備えている。即ち、図１に示す化石燃料供給部４３から第１燃料供給ライン３８を介してバーナ３１に微粉炭と搬送用ガスとの混合気体、オイル又はガスが供給され、バーナ３１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。 The burner 31 can supply a mixed gas of fossil fuel (pulverized coal, that is, solid powder fuel in this embodiment) and a transport gas, oil or gas, and primary air for combustion from outside the furnace 20 into the furnace 20. It is configured in. The transport gas is, for example, air.
In some embodiments, the boiler 2 comprises a first fuel supply line 38 for supplying fossil fuels to the burner 31. That is, a mixed gas, oil or gas of pulverized coal and a transport gas is supplied from the fossil fuel supply unit 43 shown in FIG. 1 to the burner 31 via the first fuel supply line 38, and the burner 31 is used with the primary air. It is mixed and burned, and the combustion gas is ejected into the furnace 20.

上記１次空気を供給する１次空気供給部３２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３２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３１の近傍に形成される燃焼領域４５に供給される酸素量（Ｏ２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。 The primary air supply unit 32 for supplying the primary air is configured so that the amount of air supplied into the furnace 20 can be arbitrarily adjusted. In this way, by adjusting the amount of air supplied from the primary air supply unit 32, the amount of oxygen supplied to the lower region in the furnace 20, that is, the combustion region 45 formed in the vicinity of the burner 31 in the furnace 20. (Supply amount of O 2 ) can be adjusted within the specified range.

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３１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３１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３１のうち、上下方向において最下部に位置するバーナ３１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）３１ａとなる。 As illustrated in FIG. 2, in some embodiments, a plurality of stages of burners 31 are provided at different positions in the combustion gas flow direction A in the furnace 20, respectively. That is, the burner 31 may be provided in a plurality of stages from the lower part (lower part) to the middle part or the upper part (upper part) in the vertical direction of the furnace 20. In this case, among the burners 31 provided over the plurality of stages, the burner 31 located at the lowermost portion in the vertical direction becomes the most upstream side burner (lowermost stage burner) 31a in the combustion gas flow direction A.

追加空気供給部３３は、多段に設けられた複数のバーナ３１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３１よりも上方に配設される。
この追加空気供給部３３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３２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３２と、２次空気を供給する追加空気供給部３３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。
なお、各空気供給部３２，３３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。また、図２では１つの火炉２０にそれぞれ１次空気供給部３２、追加空気供給部３３、化石燃料供給部４３及びアンモニア燃料供給部３５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（３２，３３，４３，３５）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。 The additional air supply unit 33 is arranged on the downstream side in the flow direction A of the combustion gas, that is, above the plurality of burners 31 in the furnace 20 with respect to the plurality of burners 31 provided in multiple stages.
The secondary air supplied from the additional air supply unit 33 is also called after air (AA) or overfire air (OFA), and is burned without being completely burned by the primary air supplied by the primary air supply unit 32. It is supplied to supply additional oxygen to completely burn the remaining fossil fuel.
In this way, the boiler 2 gradually supplies air (oxygen) into the furnace 20 by the primary air supply unit 32 that supplies the primary air and the additional air supply unit 33 that supplies the secondary air. The fossil fuel is burned in stages (two stages) to completely burn it. As described above, the boiler 2 of the present embodiment is configured as a so-called staged combustion boiler.
Each of the air supply units 32 and 33 may supply air as a blower by an individual blower (not shown) or the like, or may be branched from the same blower (not shown) to supply air. There may be. A flow rate adjusting valve (not shown) is provided in each air supply flow path, and the opening of each flow rate adjusting valve can be individually controlled from fully closed to fully open. Further, FIG. 2 shows that one furnace 20 is provided with one primary air supply unit 32, one additional air supply unit 33, one fossil fuel supply unit 43, and one ammonia fuel supply unit 35, respectively. At least one of the constituent elements (32, 33, 43, 35) may be provided in any direction in the circumferential direction of the furnace 20, and may be arranged in a plurality of directions or in two or more directions with respect to one furnace 20. May be.

ここで、本発明者らの知見によれば、バーナユニット３０の下流側に追加空気供給部３３を備えた所謂２段燃焼ボイラにおいて、追加空気供給部３３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２０内の還元雰囲気（還元領域４６）においてアンモニア燃料の窒素分がＮ２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。
そして、上記の構成によれば、既設のバーナユニット３０を改造したりバーナユニット３０を新設したりする際に、炭素含有燃料を燃焼させる各々の第１バーナ３１自体の設計変更を必要とせずに第１バーナ３１とは別のアンモニア燃料供給ポート４０から火炉２０内にアンモニア燃料を供給することができるから、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることができる。またこれにより、第１バーナ３１の燃焼安定性を損なうことなくアンモニア混焼ボイラ２でのＮＯｘ排出量を低減することができる。
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。
また、アンモニア燃料供給ポート４０は、ボイラ２の稼働時に実際に炭素含有燃料を供給している第１バーナ３１以外の噴射口又はポートであればよく、少なくとも一つの第１バーナ３１のうちボイラ２の稼働時に炭素含有燃料の供給に用いていない第１バーナ３１をアンモニア燃料供給ポート４０として用いてもよい。 Here, according to the findings of the present inventors, in a so-called two-stage combustion boiler provided with an additional air supply unit 33 on the downstream side of the burner unit 30, the ammonia fuel is placed at a position upstream of the additional air supply unit 33. When charged, the nitrogen content of the ammonia fuel is reduced to N2 in the reducing atmosphere (reduction region 46) in the furnace 20, and the increase in NOx concentration is suppressed while suppressing the emission of unburned ammonia accompanying the combustion of the ammonia fuel. can.
Further, according to the above configuration, when the existing burner unit 30 is modified or the burner unit 30 is newly installed, the design of each first burner 31 that burns the carbon-containing fuel does not need to be changed. Since ammonia fuel can be supplied into the furnace 20 from the ammonia fuel supply port 40 different from the first burner 31, ammonia can be used as fuel while suppressing changes to the structure or design of the existing boiler. can do. Further, as a result, the NOx emission amount in the ammonia co-firing boiler 2 can be reduced without impairing the combustion stability of the first burner 31.
In the present specification, the "ammonia fuel" refers to a fuel containing ammonia, and may contain other components (for example, hydrogen, water, nitrogen, etc.) together with ammonia.
Further, the ammonia fuel supply port 40 may be an injection port or port other than the first burner 31 that actually supplies carbon-containing fuel when the boiler 2 is in operation, and the boiler 2 of at least one first burner 31 may be used. The first burner 31, which is not used for supplying the carbon-containing fuel during operation, may be used as the ammonia fuel supply port 40.

幾つかの実施形態では、上記の構成において、アンモニア燃料供給ポート４０は、バーナユニット３０のうち最上流側又は最下流側に位置してもよい。 In some embodiments, in the above configuration, the ammonia fuel supply port 40 may be located on the most upstream side or the most downstream side of the burner unit 30.

上記の構成により、アンモニア燃料供給ポート４０がバーナユニット３０の最上流側に配置された場合は、第１バーナ３１から投入された炭素含有燃料の燃焼領域４５の下流側に形成される還元雰囲気（還元領域４６）を、燃焼ガスの流れ方向Ａの上流から下流の全域に亘ってアンモニア燃料が通過するから、アンモニア燃料が還元雰囲気に晒される時間を十分に長く確保することができる。よって、未燃アンモニア及びＮＯｘの排出をより効果的に低減することができる。一方、アンモニア燃料供給ポート４０がバーナユニット３０の最下流側に配置された場合は、火炉２０内に投入されたアンモニア燃料が燃焼ガスの流れに乗って下流側に案内されるから、火炉２０内でアンモニア燃料が燃焼ガスの流れに乗らずに炉底部２１ｂに滞留することを抑制することができる。 According to the above configuration, when the ammonia fuel supply port 40 is arranged on the most upstream side of the burner unit 30, the reducing atmosphere formed on the downstream side of the combustion region 45 of the carbon-containing fuel input from the first burner 31 ( Since the ammonia fuel passes through the reduction region 46) over the entire area from the upstream to the downstream of the combustion gas flow direction A, it is possible to secure a sufficiently long time for the ammonia fuel to be exposed to the reduction atmosphere. Therefore, the emission of unburned ammonia and NOx can be reduced more effectively. On the other hand, when the ammonia fuel supply port 40 is arranged on the most downstream side of the burner unit 30, the ammonia fuel input into the furnace 20 is guided to the downstream side by the flow of the combustion gas, so that the inside of the furnace 20 is guided. Therefore, it is possible to prevent the ammonia fuel from staying in the furnace bottom portion 21b without riding on the flow of the combustion gas.

幾つかの実施形態では、上記の構成において、アンモニア燃料供給ポート４０は、ボイラ２の稼働時に炭素含有燃料の供給を受けていない第２バーナ４０の燃料噴射口又は空気ポートであってもよい。 In some embodiments, in the above configuration, the ammonia fuel supply port 40 may be the fuel injection port or air port of the second burner 40 that is not supplied with carbon-containing fuel when the boiler 2 is in operation.

上記の構成によれば、ボイラ２の稼働時に炭素含有燃料の供給を受けていない第２バーナ４０の燃料噴射口又は空気ポートをアンモニア燃料供給ポート４０として用いて火炉２０内にアンモニア燃料を供給することができる。つまり、炭素含有燃料を燃焼可能に構成された少なくとも一つの第１バーナ３１のうち、ボイラ２の稼働時に炭素含有燃料の供給に用いていない第１バーナ３１をアンモニア燃料供給用の第２バーナ４０として用いることで火炉２０内にアンモニア燃料を供給することができる。よって、既設の設備又は設計を有効に活用し、簡易な構成で、燃焼安定性を損なわずにＮＯｘ排出量を低減し得るアンモニア混焼ボイラ２を実現することができる。 According to the above configuration, the fuel injection port or the air port of the second burner 40, which is not supplied with the carbon-containing fuel during the operation of the boiler 2, is used as the ammonia fuel supply port 40 to supply the ammonia fuel into the furnace 20. be able to. That is, of at least one first burner 31 configured to combust the carbon-containing fuel, the first burner 31 that is not used for supplying the carbon-containing fuel during the operation of the boiler 2 is used as the second burner 40 for supplying the ammonia fuel. It is possible to supply the ammonia fuel into the furnace 20 by using the fuel. Therefore, it is possible to realize an ammonia co-firing boiler 2 capable of reducing NOx emissions without impairing combustion stability by effectively utilizing the existing equipment or design and having a simple configuration.

幾つかの実施形態では、上記何れかの実施形態に記載の構成において、アンモニア燃料供給ポート４０は、火炉２０内にアンモニア燃料と空気とを供給するように構成されてもよい。 In some embodiments, in any of the configurations described above, the ammonia fuel supply port 40 may be configured to supply ammonia fuel and air into the furnace 20.

上記の構成によれば、アンモニア燃料供給ポート４０からアンモニア燃料と空気とを供給することができる。これにより、例えば、アンモニア燃料供給ポート４０から供給するアンモニア燃料と空気との比率を必要に応じて調整することで、火炉２０内に投入する空気量の調整にアンモニア燃料供給ポート４０を用いることができるから、空気量調節の自由度の向上が図られる。 According to the above configuration, ammonia fuel and air can be supplied from the ammonia fuel supply port 40. Thereby, for example, by adjusting the ratio of the ammonia fuel supplied from the ammonia fuel supply port 40 to the air as necessary, the ammonia fuel supply port 40 can be used for adjusting the amount of air to be charged into the furnace 20. Therefore, the degree of freedom in adjusting the amount of air can be improved.

幾つかの実施形態では、上記何れかの実施形態に記載の構成において、アンモニア燃料供給ポート４０は、火炉２０内にアンモニア燃料のみを供給するように構成されてもよい。 In some embodiments, in any of the configurations described above, the ammonia fuel supply port 40 may be configured to supply only ammonia fuel into the furnace 20.

上記の構成によれば、アンモニア燃料供給ポート４０からはアンモニア燃料のみ供給するように構成された混焼ボイラ２において、上記何れかの実施形態で述べた効果を享受することができる。 According to the above configuration, the effect described in any of the above embodiments can be enjoyed in the co-firing boiler 2 configured to supply only the ammonia fuel from the ammonia fuel supply port 40.

幾つかの実施形態では、上記何れかの実施形態に記載の構成において、火炉２０のうちアンモニア燃料供給ポート４０の設置位置と追加空気供給部３３の設置位置との間の部位の容積Ｖ［ｍ３］とし、火炉２０内の燃焼ガスの体積流量をＦ［ｍ３／ｓｅｃ］としたとき、アンモニア燃料供給ポート４０の設置位置はＶ／Ｆ≧１［ｓｅｃ］を満たすように設定されてもよい（以下の数式（１）参照）。
［数１］
Ｖ／Ｆ≧１［ｓｅｃ］ ・・・（１） In some embodiments, in the configuration described in any of the above embodiments, the volume V [m] of the portion of the furnace 20 between the installation position of the ammonia fuel supply port 40 and the installation position of the additional air supply unit 33. 3 ], and when the volumetric flow rate of the combustion gas in the furnace 20 is F [m 3 / sec], even if the installation position of the ammonia fuel supply port 40 is set to satisfy V / F ≧ 1 [sec]. Good (see formula (1) below).
[Number 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３７に供給されたアンモニア燃料は、該アンモニア供給位置３７から体積流量Ｆ［ｍ３／ｓｅｃ］で火炉２０内を燃焼ガスの流れ方向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での燃焼ガスの流れ方向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、燃焼ガスの流れ方向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、燃焼ガスの流れ方向Ａに直交する火炉２０内部の断面積を、例えば、燃焼ガスの流れ方向Ａに沿う距離ｘの関数Ｓ（ｘ）［ｍ２］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） Specifically, as shown in FIG. 3, the ammonia fuel supplied to the ammonia supply position 37 has a volume flow rate F [m 3 / sec] from the ammonia supply position 37 and a combustion gas flow direction A in the furnace 20. It moves to the downstream side (upper side in FIGS. 1 and 2) along.
At that time, the cross-sectional area inside the furnace 20 orthogonal to the direction of movement (combustion gas flow direction A) depends on various design circumstances considering the rated output, cycle form, power generation efficiency, etc. of the thermal power generation plant 1. The flow direction A of the combustion gas in the furnace 20 may be uniform or non-uniform, and may change depending on the distance x along the flow direction A of the combustion gas. Therefore, if the cross-sectional area inside the furnace 20 orthogonal to the flow direction A of the combustion gas is, for example, a function S (x) [m 2 ] of the distance x along the flow direction A of the combustion gas, the volume V is as follows. It can be expressed as the formula (2).
[Number 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３３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３７を設定したので、火炉２０内の還元領域４６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。 As described above, according to some embodiments, the ammonia supply position 37 is set sufficiently upstream of the additional air supply unit 33 (position satisfying V / F ≧ 1), so that the ammonia supply position 37 is reduced in the furnace 20. It is possible to secure the residence time of the ammonia fuel in the region 46 for 1 sec or more, suppress the emission of unburned ammonia, and reduce NOx more effectively.

好ましくは、アンモニア供給位置３７は、火炉２０内に供給されたアンモニアが還元領域４６を通過する時間（還元領域４６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。 Preferably, the ammonia supply position 37 is set so that the V / F indicating the time for the ammonia supplied into the furnace 20 to pass through the reduction region 46 (residence time in the reduction region 46) is 2 sec or more. good.

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。 FIG. 4 is a diagram obtained by diligent research by the present inventors, and shows an increase in the co-firing ratio (calorie ratio) of ammonia with respect to all fuels and the increase in NOx at the outlet of the furnace 20 based on the time when the fossil fuel is exclusively burned. It is a graph which shows the relationship with a quantity. As is clear from the figure, the amount of NOx increase at the outlet of the furnace 20 increases linearly (linearly) in proportion to the calorie ratio of ammonia to the total fuel.

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。 Based on this graph, the calorie ratio of ammonia fuel to total fuel can be arbitrarily set within a range in which the benefits of using ammonia fuel can be enjoyed while suppressing the increase in NOx. The calorie ratio of the ammonia fuel to the total fuel may be, for example, 1% or more and 80% or less, 5% or more and 40% or less, or 10% or more and 30% or less. In some embodiments, the calorie ratio of the ammonia fuel to the total fuel is 10% or more and 30% or less, so that the emission of unreacted ammonia can be suppressed and the NOx concentration can be reduced at the same time.

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、２段燃焼ボイラにおいて、ボイラ全体の空気量に対する１段空気の比率を１段空気比とし、混焼したアンモニアの１段燃焼出口におけるアンモニアリーク率及びＮＯｘ転換率を示したグラフである。 Further, FIG. 5 is a diagram obtained by diligent research by the present inventors, and in a two-stage combustion boiler, the ratio of the one-stage air to the total air volume of the boiler is set to the one-stage air ratio, and 1 of the co-firing ammonia. It is a graph which showed the ammonia leak rate and NOx conversion rate at a stage combustion outlet.

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１段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。さらに、１段燃焼出口のリークアンモニアは、下流における還元雰囲気を通過する際に水素と窒素に分解されるため、２段燃焼部へのリークアンモニアをほぼ０とすることができる。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、１段空気比は、０．８以上０．９５以下に設定することが好ましい。 As can be seen from the figure, when the air ratio is increased between 0.6 and 1.0, the ammonia leak rate at the outlet of the furnace 20 decreases as the one-stage air ratio increases, and conversely, the furnace The NOx conversion rate at the exit of 20 increases. Further, since the leaked ammonia at the one-stage combustion outlet is decomposed into hydrogen and nitrogen when passing through the reducing atmosphere in the downstream, the leaked ammonia to the two-stage combustion portion can be made almost zero. Based on the findings obtained from the figure, it is preferable to set the one-stage air ratio to 0.8 or more and 0.95 or less from the viewpoint of achieving both reduction of ammonia leak and reduction of NOx.

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。 As described above, according to some embodiments, it is possible to realize a thermal power plant 1 provided with a boiler 2 using fossil fuel and ammonia fuel. In addition, as described above, carbon dioxide is not generated during combustion, and while enjoying the advantages of ammonia for which storage and transportation technologies have been established, the emission of unburned ammonia associated with the combustion of ammonia fuel is suppressed and the NOx concentration is reduced. It can be reduced.

なお、上記構成のボイラ２は、図１又は図２に示すアンモニア燃料供給ライン３４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３１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３３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３３に対して燃焼ガスの流れ方向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ライン３４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３３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ライン３４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Ｎ２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。 The boiler 2 having the above configuration can be easily realized by a remodeling work in which the ammonia fuel supply line 34 shown in FIG. 1 or 2 is additionally installed in an existing thermal power plant.
That is, in some embodiments, the furnace 20, the burner 31 for burning the fossil fuel in the furnace 20, and the additional air configured to supply the furnace 20 with additional air for burning the fossil fuel. The boiler 2 having the above configuration may be obtained by modifying an existing boiler including the supply unit 33. In this remodeling work, an ammonia fuel supply line 34 for supplying ammonia fuel to the furnace 20 is installed on the upstream side of the combustion gas flow direction A for the additional air supply unit 33 of the boiler 2. In this way, the boiler 2 of the existing thermal power plant can be easily modified. According to such a modification method of the boiler, the reduction atmosphere in the furnace 20 is utilized by the modification work for installing the ammonia fuel supply line 34 for supplying the ammonia fuel on the upstream side of the additional air supply unit 33 of the boiler 2. Then, the nitrogen content of the ammonia fuel can be decomposed into N 2 , and the increase in NOx concentration due to the combustion of the ammonia fuel can be suppressed. As a result, carbon dioxide is not generated during combustion, and while enjoying the advantages of ammonia, which has established storage and transportation technologies, it is possible to suppress the emission of unburned ammonia and reduce the NOx concentration associated with the combustion of ammonia fuel. Can be done.

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３５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３８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３９を第１燃料供給ライン３８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３５を設置するとともに、該アンモニア燃料供給部３５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。 In addition, during the above-mentioned remodeling work of the boiler, the ammonia fuel supply unit 35 is installed, and the second fuel supply line 39 for mixing the ammonia fuel into the first fuel supply line 38 for supplying fossil fuel is the first fuel supply line. It may be connected to 38. By doing so, it is possible to effectively utilize the components of the existing boiler and keep the remodeling work on a small scale, and it is possible to further suppress the emission of unburned ammonia and reduce the NOx concentration more reliably. ..
In another embodiment, the ammonia fuel supply unit 35 may be installed at the time of the above-mentioned modification work of the boiler, and a line for directly supplying the ammonia fuel supplied from the ammonia fuel supply unit 35 into the furnace 20 may be installed. ..

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３３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Ｎ２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。 As described above, the configuration of the above embodiment utilizes the knowledge of the present inventors, and since the ammonia fuel is supplied to the upstream side of the additional air supply unit 33, the reducing atmosphere in the furnace 20 is used. The nitrogen content of the ammonia fuel can be decomposed into N 2 by utilizing the above, and the increase in NOx concentration due to the combustion of the ammonia fuel can be suppressed. Further, in a typical boiler, the combustion temperature in the furnace 20 is extremely high, for example, about 1500 to 1600 ° C., so that the decomposition reaction from ammonia to nitrogen and hydrogen is smooth even without a catalyst or the like. It is designed to move forward. Therefore, the reducing atmosphere in the furnace 20 can be effectively decomposed to suppress the emission of unburned ammonia and the increase in NOx concentration without using an expensive catalyst or the like.
This makes it possible to suppress the emission of unburned ammonia fuel and reduce the NOx concentration while enjoying the advantages of ammonia, which does not generate carbon dioxide during combustion and has established storage and transportation technologies.

本開示の少なくとも一実施形態に係る混焼ボイラ２は、開口部２１を有する火炉壁（炉壁部２０ａ）を含む火炉２０と、火炉壁の開口部２１に取り付けられるバーナユニット３０と、火炉２０内における燃焼ガスの流れ方向Ａにおいてバーナユニット３０の下流側に設けられる追加空気供給部３３と、を備えた炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラ２であって、バーナユニット３０は、炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第１バーナ３１と、炭素含有燃料とアンモニア燃料とを選択的に切り替えて火炉２０内に供給可能な第３バーナ６０と、を含む（例えば図７（ｂ）、図７（ｃ）参照）。 The co-combustion boiler 2 according to at least one embodiment of the present disclosure includes a furnace 20 including a furnace wall (furnace wall portion 20a) having an opening 21, a burner unit 30 attached to the opening 21 of the furnace wall, and the inside of the furnace 20. The burner unit 30 is a co-firing boiler 2 of carbon-containing fuel and ammonia fuel provided with an additional air supply unit 33 provided on the downstream side of the burner unit 30 in the flow direction A of the combustion gas in the above. It includes at least one first burner 31 configured to burn and a third burner 60 capable of selectively switching between carbon-containing fuels and ammonia fuels and supplying them into the furnace 20 (eg, FIG. 7 (b). ), See FIG. 7 (c)).

上記構成によれば、第３バーナ６０を切り替えて用いることにより、混焼ボイラ２は、第１バーナ３１と第３バーナ６０との両方から炭素含有燃料を供給する場合と、第１バーナ３１から炭素含有燃料を供給するとともに、第３バーナ６０からはアンモニア燃料のみを供給する場合とで切り替えて運転することができる。このような第３バーナ６０は、例えば、第１バーナ３１における炭素含有燃料の供給ライン（第１燃料供給ライン３８）にアンモニア燃料供給ライン３４とバルブとを付設することで実現できるから、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることができる。またこれにより、第１バーナ３１の燃焼安定性を損なうことなくアンモニア混焼ボイラ２でのＮＯｘ排出量を低減することができる。 According to the above configuration, by switching and using the third burner 60, the co-firing boiler 2 supplies carbon-containing fuel from both the first burner 31 and the third burner 60, and carbon from the first burner 31. The operation can be switched between the case where the contained fuel is supplied and the case where only the ammonia fuel is supplied from the third burner 60. Such a third burner 60 can be realized, for example, by attaching an ammonia fuel supply line 34 and a valve to the carbon-containing fuel supply line (first fuel supply line 38) in the first burner 31, and thus the existing one. Ammonia can be used as a fuel while suppressing changes to the structure or design of the boiler. Further, as a result, the NOx emission amount in the ammonia co-firing boiler 2 can be reduced without impairing the combustion stability of the first burner 31.

また、上記のように、本開示の少なくとも一実施形態に係る火力発電プラント１は、上記何れかの実施形態に記載の混焼ボイラ２と、ボイラ２で生成された蒸気により駆動される蒸気タービン３と、を備える（例えば図１参照）。 Further, as described above, the thermal power plant 1 according to at least one embodiment of the present disclosure includes the co-firing boiler 2 according to any one of the above embodiments and the steam turbine 3 driven by the steam generated by the boiler 2. And (see, for example, FIG. 1).

上記の構成によれば、炭素含有燃料とアンモニア燃料との混焼ボイラ２を備えた火力発電プラント１において、上述したように、炭素含有燃料を燃焼させる第１バーナ３１の燃焼安定性を損なうことなくアンモニア混焼ボイラ２でのＮＯｘ排出量及び未燃アンモニアの排出を低減することができる火力発電プラント１を実現することができる。 According to the above configuration, in the thermal power generation plant 1 provided with the co-firing boiler 2 of the carbon-containing fuel and the ammonia fuel, as described above, the combustion stability of the first burner 31 for burning the carbon-containing fuel is not impaired. It is possible to realize a thermal power generation plant 1 capable of reducing NOx emissions and unburned ammonia emissions in the ammonia co-combustion boiler 2.

また、本開示の少なくとも一実施形態に係るボイラの改造方法は、開口部２１を有する火炉壁２１ａを含む火炉２０と、火炉壁２１ａの開口部２１に取り付けられるバーナユニット３０と、火炉２０内における燃焼ガスの流れ方向Ａにおいてバーナユニット３０の下流側に設けられる追加空気供給部３３と、を備えるボイラの改造方法である。
バーナユニット３０は、当該バーナユニット３０の最上流側に位置する上流側空気ポート５１と、バーナユニット３０の最下流側に位置する下流側空気ポート５２と、燃焼ガスの流れ方向Ａにおいて上流側空気ポート５１と下流側空気ポート５２との間に位置する複数のバーナ３１と、を含む（図６参照）。
そして、本開示の少なくとも一実施形態に係るボイラの改造方法は、上流側空気ポート５１、下流側空気ポート５２、または、複数のバーナ３１のうちボイラ２の稼働時に炭素含有燃料が流れている第１バーナ３１以外の第２バーナ４０に対して、アンモニア燃料供給ライン３４を接続する工程を備えている。 Further, the method of modifying the boiler according to at least one embodiment of the present disclosure includes a furnace 20 including a furnace wall 21a having an opening 21, a burner unit 30 attached to the opening 21 of the furnace wall 21a, and the inside of the furnace 20. This is a method of modifying a boiler including an additional air supply unit 33 provided on the downstream side of the burner unit 30 in the flow direction A of the combustion gas.
The burner unit 30 has an upstream air port 51 located on the most upstream side of the burner unit 30, a downstream air port 52 located on the most downstream side of the burner unit 30, and upstream air in the combustion gas flow direction A. Includes a plurality of burners 31 located between the port 51 and the downstream air port 52 (see FIG. 6).
The method for modifying the boiler according to at least one embodiment of the present disclosure is such that the carbon-containing fuel flows during the operation of the boiler 2 among the upstream air port 51, the downstream air port 52, or the plurality of burners 31. A step of connecting the ammonia fuel supply line 34 to the second burner 40 other than the one burner 31 is provided.

上記の方法によれば、炭素含有燃料を燃焼させる各々の第１バーナ３１自体の設計変更を必要とせずに、ボイラ２の追加空気供給部３３の上流側にアンモニア燃料供給ライン３４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Ｎ２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、第１バーナ３１の燃焼安定性を損なうことなく、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でき、且つ、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アンモニア混焼ボイラ２を簡易な方法で実現することができる。 According to the above method, a modification to install an ammonia fuel supply line 34 on the upstream side of the additional air supply unit 33 of the boiler 2 without requiring a design change of each first burner 31 for burning carbon-containing fuel. By the construction, the nitrogen content of the ammonia fuel can be decomposed into N2 by utilizing the reducing atmosphere in the furnace, and it becomes possible to suppress the emission of unburned ammonia and the increase of the NOx concentration due to the combustion of the ammonia fuel. As a result, carbon dioxide is not generated during combustion without impairing the combustion stability of the first burner 31, and the advantages of ammonia for which storage and transportation techniques have been established can be enjoyed, and the emission of unburned ammonia can be suppressed. And the ammonia co-combustion boiler 2 capable of reducing the NOx concentration can be realized by a simple method.

幾つかの実施形態では、上記の方法において、アンモニア燃料供給ライン３４を接続するステップでは、上流側空気ポート５１又は下流側空気ポート５２にアンモニア燃料供給ライン３４を接続してもよい。 In some embodiments, in the above method, the ammonia fuel supply line 34 may be connected to the upstream air port 51 or the downstream air port 52 in the step of connecting the ammonia fuel supply line 34.

上記の方法によれば、既設のバーナユニット３０を改造する際に、炭素含有燃料を燃焼させる各々の第１バーナ３１自体の設計変更を必要としないから、既存のボイラ２の構成要素を有効活用して改造工事を小規模にとどめ、第１バーナ３１の燃焼安定性を損なうことなく未燃アンモニアの排出の抑制とＮＯｘ濃度の低減とを実現することができる。 According to the above method, when the existing burner unit 30 is remodeled, it is not necessary to change the design of each first burner 31 itself that burns the carbon-containing fuel, so that the components of the existing boiler 2 are effectively utilized. Therefore, the remodeling work can be limited to a small scale, and the emission of unburned ammonia can be suppressed and the NOx concentration can be reduced without impairing the combustion stability of the first burner 31.

幾つかの実施形態では、上記の方法において、アンモニア燃料供給ライン３４を接続するステップでは、複数のバーナ３１のうち燃焼ガスの流れ方向Ａにおいて最上流側に配置されたバーナ３１にアンモニア燃料供給ライン３４を接続してもよい。 In some embodiments, in the above method, in the step of connecting the ammonia fuel supply line 34, the ammonia fuel supply line is connected to the burner 31 arranged on the most upstream side in the combustion gas flow direction A among the plurality of burners 31. 34 may be connected.

上記の方法によれば、アンモニア燃料供給ライン３４がバーナユニット３０の最上流側に配置されるから、第１バーナ３１から投入された炭素含有燃料の燃焼領域４５の下流側に形成される還元雰囲気４６を、燃焼ガスの流れ方向Ａの上流から下流の全域に亘ってアンモニア燃料が通過する。よって、アンモニア燃料が還元雰囲気に晒される時間を十分に長く確保することができるから、未燃アンモニア及びＮＯｘの排出をより効果的に低減することができる。 According to the above method, since the ammonia fuel supply line 34 is arranged on the most upstream side of the burner unit 30, the reducing atmosphere formed on the downstream side of the combustion region 45 of the carbon-containing fuel input from the first burner 31. Ammonia fuel passes through 46 over the entire area from upstream to downstream in the flow direction A of the combustion gas. Therefore, since it is possible to secure a sufficiently long time for the ammonia fuel to be exposed to the reducing atmosphere, it is possible to more effectively reduce the emission of unburned ammonia and NOx.

本開示の少なくとも一実施形態に係る混焼ボイラ２の運転方法は、炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラ２の運転方法であって、炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第１バーナ３１には炭素含有燃料を供給し、炭素含有燃料とアンモニア燃料とを選択的に切り替えて混焼ボイラ２の火炉２０内に供給可能な第３バーナ６０（図７（ｂ）又は図７（ｃ）参照）からアンモニア燃料を供給するときは、第３バーナ６０から炭素含有燃料を供給しない。 The operation method of the co-firing boiler 2 according to at least one embodiment of the present disclosure is the operating method of the co-firing boiler 2 of the carbon-containing fuel and the ammonia fuel, and is at least one first method configured to burn the carbon-containing fuel. A third burner 60 (FIG. 7 (b) or 7 (c)) capable of supplying a carbon-containing fuel to the burner 31 and selectively switching between the carbon-containing fuel and the ammonia fuel to supply the fuel into the furnace 20 of the co-combustion boiler 2. ) When supplying the ammonia fuel from the third burner 60, the carbon-containing fuel is not supplied.

上記の方法によれば、第３バーナ６０を切り替えて用いることにより、混焼ボイラ２は、第１バーナ３１と第３バーナ６０との両方から炭素含有燃料を供給する場合と、第１バーナ３１から炭素含有燃料を供給するとともに、第３バーナ６０からはアンモニア燃料のみを供給する場合とで切り替えて運転することができる。上述したように、このような第３バーナ６０は、例えば、第１バーナ３１における炭素含有燃料の供給ライン（第１燃料供給ライン３８）にアンモニア燃料供給ライン３４とバルブとを付設することで実現できるから、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることができる。 According to the above method, by switching and using the third burner 60, the co-firing boiler 2 supplies carbon-containing fuel from both the first burner 31 and the third burner 60, and from the first burner 31. The operation can be switched between the case where the carbon-containing fuel is supplied and the case where only the ammonia fuel is supplied from the third burner 60. As described above, such a third burner 60 is realized, for example, by attaching an ammonia fuel supply line 34 and a valve to the carbon-containing fuel supply line (first fuel supply line 38) in the first burner 31. Therefore, ammonia can be used as a fuel while suppressing changes to the structure or design of the existing boiler.

本開示の幾つかの実施形態によれば、既存のボイラの構造又は設計への変更を抑制しつつ、アンモニアを燃料として利用可能にすることができる。またこれにより、第１バーナ３１の燃焼安定性を損なうことなくアンモニア混焼ボイラ２でのＮＯｘ排出量を低減することができる。 According to some embodiments of the present disclosure, ammonia can be used as a fuel while suppressing changes to the structure or design of the existing boiler. Further, as a result, the NOx emission amount in the ammonia co-firing boiler 2 can be reduced without impairing the combustion stability of the first burner 31.

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。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes a modified form of the above-mentioned embodiment and a combination of these embodiments.

１ 火力発電プラント
２ ボイラ
３ 蒸気タービン
２０ 火炉
２０ａ 炉壁部（火炉壁）
２１ 開口部
３０ バーナユニット
３１ バーナ（第１バーナ）
３３ 追加空気供給部（２次空気／ＡＡ）
３４ アンモニア燃料供給ライン
４０ アンモニア燃料供給ポート（第２バーナ）
５１ 上流側空気ポート
５２ 下流側空気ポート
６０ 第３バーナ
Ａ 燃焼ガスの流れ方向 1 Thermal power plant 2 Boiler 3 Steam turbine 20 Fire furnace 20a Furnace wall (fire furnace wall)
21 Opening 30 Burner unit 31 Burner (1st burner)
33 Additional air supply section (secondary air / AA)
34 Ammonia fuel supply line 40 Ammonia fuel supply port (second burner)
51 Upstream air port 52 Downstream air port 60 3rd burner A Combustion gas flow direction

Claims (13)

複数の火炉壁管と該複数の火炉壁管同士の間に配置されたフィンとにより構成される火炉壁を有し、前記火炉壁管の屈曲部により形成される開口部が前記火炉壁に形成された火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
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ユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備える炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラであって、
前記バーナユニットは、
前記炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第１バーナと、
前記アンモニア燃料を前記火炉内に供給するためのアンモニア燃料供給ポートと、
を含み、
前記火炉のうち前記アンモニア燃料供給ポートの設置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［ｍ３］とし、前記火炉内の燃焼ガスの体積流量をＦ［ｍ３／ｓｅｃ］としたとき、前記バーナユニット内における前記アンモニア燃料供給ポートの設置位置はＶ／Ｆ≧１［ｓｅｃ］を満たすように設定された
混焼ボイラ。 It has a furnace wall composed of a plurality of furnace wall pipes and fins arranged between the plurality of furnace wall pipes, and an opening formed by a bent portion of the furnace wall pipe is formed in the furnace wall. With the fire furnace
A burner unit attached to the opening of the furnace wall and
A carbon-containing fuel and ammonia fuel co-firing boiler including an additional air supply unit provided on the downstream side of the burner unit in the flow direction of combustion gas in the furnace.
The burner unit is
With at least one first burner configured to burn the carbon-containing fuel,
An ammonia fuel supply port for supplying the ammonia fuel into the furnace,
Including
The volume V [m 3 ] of the portion of the furnace between the installation position of the ammonia fuel supply port and the installation position of the additional air supply unit is set, and the volume flow rate of the combustion gas in the furnace is F [m 3 /. When [sec] is set, the installation position of the ammonia fuel supply port in the burner unit is set to satisfy V / F ≧ 1 [sec]. 前記アンモニア燃料供給ポートは、前記バーナユニットのうち最上流側又は最下流側に位置する
請求項１に記載の混焼ボイラ。 The co-firing boiler according to claim 1, wherein the ammonia fuel supply port is located on the most upstream side or the most downstream side of the burner unit. 前記アンモニア燃料供給ポートは、前記ボイラの稼働時に前記炭素含有燃料の供給を受けていない第２バーナの燃料噴射口又は空気ポートである
請求項１に記載の混焼ボイラ。 The co-firing boiler according to claim 1, wherein the ammonia fuel supply port is a fuel injection port or an air port of a second burner that is not supplied with the carbon-containing fuel when the boiler is in operation. 前記アンモニア燃料供給ポートは、前記火炉内に前記アンモニア燃料と空気とを供給するように構成された
ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の混焼ボイラ。 The co-firing boiler according to any one of claims 1 to 3, wherein the ammonia fuel supply port is configured to supply the ammonia fuel and air into the furnace. 前記アンモニア燃料供給ポートは、前記火炉内に前記アンモニア燃料のみを供給するように構成された
ことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の混焼ボイラ。 The co-firing boiler according to any one of claims 1 to 3, wherein the ammonia fuel supply port is configured to supply only the ammonia fuel into the furnace. 複数の火炉壁管と該複数の火炉壁管同士の間に配置されたフィンとにより構成される火炉壁を有し、前記火炉壁管の屈曲部により形成される開口部が前記火炉壁に形成された火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
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ユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備える炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラであって、
前記バーナユニットは、
前記炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第１バーナと、
前記アンモニア燃料を前記火炉内に供給するためのアンモニア燃料供給ポートと、
を含み、
前記アンモニア燃料供給ポートは、前記バーナユニットのうち最上流側に位置する
混焼ボイラ。 It has a furnace wall composed of a plurality of furnace wall pipes and fins arranged between the plurality of furnace wall pipes, and an opening formed by a bent portion of the furnace wall pipe is formed in the furnace wall. With the fire furnace
A burner unit attached to the opening of the furnace wall and
A carbon-containing fuel and ammonia fuel co-firing boiler including an additional air supply unit provided on the downstream side of the burner unit in the flow direction of combustion gas in the furnace.
The burner unit is
With at least one first burner configured to burn the carbon-containing fuel,
An ammonia fuel supply port for supplying the ammonia fuel into the furnace,
Including
The ammonia fuel supply port is a co-firing boiler located on the most upstream side of the burner unit. 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１～６の何れか一項に記載の混焼ボイラ。 The co-firing boiler according to any one of claims 1 to 6, wherein the calorie ratio of the ammonia fuel to the total fuel is 10% or more and 30% or less. 複数の火炉壁管と該複数の火炉壁管同士の間に配置されたフィンとにより構成される火炉壁を有し、前記火炉壁管の屈曲部により形成される開口部が前記火炉壁に形成された火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
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ユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備えた炭素含有燃料及びアンモニア燃料の混焼ボイラであって、
前記バーナユニットは、
前記炭素含有燃料を燃焼させるように構成された少なくとも一つの第１バーナと、
前記炭素含有燃料と前記アンモニア燃料とを選択的に切り替えて前記火炉内に供給可能な第３バーナと、
を含む混焼ボイラ。 It has a furnace wall composed of a plurality of furnace wall pipes and fins arranged between the plurality of furnace wall pipes, and an opening formed by a bent portion of the furnace wall pipe is formed in the furnace wall. With the fire furnace
A burner unit attached to the opening of the furnace wall and
A carbon-containing fuel and ammonia fuel co-firing boiler equipped with an additional air supply unit provided on the downstream side of the burner unit in the flow direction of combustion gas in the furnace.
The burner unit is
With at least one first burner configured to burn the carbon-containing fuel,
A third burner capable of selectively switching between the carbon-containing fuel and the ammonia fuel and supplying the fuel into the furnace,
Mixed combustion boiler including. 請求項１～８の何れか一項に記載の混焼ボイラと、
前記混焼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。 The co-firing boiler according to any one of claims 1 to 8 and the co-firing boiler.
A steam turbine driven by the steam generated by the co-firing boiler,
A thermal power plant characterized by being equipped with. 複数の火炉壁管と該複数の火炉壁管同士の間に配置されたフィンとにより構成される火炉壁を有し、前記火炉壁管の屈曲部により形成される開口部が前記火炉壁に形成された火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
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ユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備えるボイラの改造方法であって、
前記バーナユニットは、
前記バーナユニットの最上流側に位置する上流側空気ポートと、
前記バーナユニットの最下流側に位置する下流側空気ポートと、
前記流れ方向において前記上流側空気ポートと前記下流側空気ポートとの間に位置する複数のバーナと、
を含み、
前記上流側空気ポート、前記下流側空気ポート、または、前記複数のバーナのうち前記ボイラの稼働時に炭素含有燃料が流れる第１バーナ以外の第２バーナに対して、アンモニア燃料供給ラインを接続するステップを備え、
前記火炉のうち前記第２バーナの設置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［ｍ３］とし、前記火炉内の燃焼ガスの体積流量をＦ［ｍ３／ｓｅｃ］としたとき、前記上流側空気ポート、前記下流側空気ポート、または、前記第２バーナを介した前記火炉へのアンモニア燃料の供給位置はＶ／Ｆ≧１［ｓｅｃ］を満たすように設定された
ボイラの改造方法。 It has a furnace wall composed of a plurality of furnace wall pipes and fins arranged between the plurality of furnace wall pipes, and an opening formed by a bent portion of the furnace wall pipe is formed in the furnace wall. With the fire furnace
A burner unit attached to the opening of the furnace wall and
A method for modifying a boiler including an additional air supply unit provided on the downstream side of the burner unit in the flow direction of combustion gas in the furnace.
The burner unit is
The upstream air port located on the most upstream side of the burner unit,
A downstream air port located on the most downstream side of the burner unit,
A plurality of burners located between the upstream air port and the downstream air port in the flow direction,
Including
A step of connecting an ammonia fuel supply line to the upstream air port, the downstream air port, or a second burner other than the first burner through which carbon-containing fuel flows during operation of the boiler among the plurality of burners. Equipped with
The volume of the portion of the furnace between the installation position of the second burner and the installation position of the additional air supply unit is V [m 3 ], and the volumetric flow rate of the combustion gas in the furnace is F [m 3 / sec. ], The position of supplying the ammonia fuel to the furnace via the upstream air port, the downstream air port, or the second burner is set to satisfy V / F ≧ 1 [sec]. How to remodel the boiler. 前記アンモニア燃料供給ラインを接続するステップでは、前記上流側空気ポート又は前記下流側空気ポートに前記アンモニア燃料供給ラインを接続する
ことを特徴とする請求項１０に記載のボイラの改造方法。 The method for modifying a boiler according to claim 10, wherein in the step of connecting the ammonia fuel supply line, the ammonia fuel supply line is connected to the upstream air port or the downstream air port. 前記アンモニア燃料供給ラインを接続するステップでは、前記上流側空気ポートに前記アンモニア燃料供給ラインを接続する
ことを特徴とする請求項１１に記載のボイラの改造方法。 The method for modifying a boiler according to claim 11, wherein in the step of connecting the ammonia fuel supply line, the ammonia fuel supply line is connected to the upstream air port. 複数の火炉壁管と該複数の火炉壁管同士の間に配置されたフィンとにより構成される火炉壁を有し、前記火炉壁管の屈曲部により形成される開口部が前記火炉壁に形成された火炉と、
前記火炉壁の前記開口部に取り付けられるバーナユニットと、
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ユニットの下流側に設けられる追加空気供給部と、を備えるボイラの改造方法であって、
前記バーナユニットは、
前記バーナユニットの最上流側に位置する上流側空気ポートと、
前記バーナユニットの最下流側に位置する下流側空気ポートと、
前記流れ方向において前記上流側空気ポートと前記下流側空気ポートとの間に位置し、炭素含有燃料を燃焼可能に設計された複数のバーナと、
を含み、
前記複数のバーナの中から、前記ボイラの稼働時に前記炭素含有燃料が流れる第１バーナと、前記第１バーナ以外の第２バーナとを選択し、前記第２バーナに対して、アンモニア燃料供給ラインを接続するステップを備える
ボイラの改造方法。 It has a furnace wall composed of a plurality of furnace wall pipes and fins arranged between the plurality of furnace wall pipes, and an opening formed by a bent portion of the furnace wall pipe is formed in the furnace wall. With the fire furnace
A burner unit attached to the opening of the furnace wall and
A method for modifying a boiler including an additional air supply unit provided on the downstream side of the burner unit in the flow direction of combustion gas in the furnace.
The burner unit is
The upstream air port located on the most upstream side of the burner unit,
A downstream air port located on the most downstream side of the burner unit,
A plurality of burners located between the upstream air port and the downstream air port in the flow direction and designed to burn carbon-containing fuel.
Including
From the plurality of burners, a first burner through which the carbon-containing fuel flows during operation of the boiler and a second burner other than the first burner are selected, and an ammonia fuel supply line is provided for the second burner. How to modify the boiler with steps to connect.
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