JP7076930B2

JP7076930B2 - アンモニア燃料燃焼装置

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Publication number: JP7076930B2
Application number: JP2020118314A
Authority: JP
Inventors: 祐作河本; 脩平田口; 健一友澤; 成真服部
Original assignee: Chugai Ro Co Ltd
Current assignee: Chugai Ro Co Ltd
Priority date: 2020-07-09
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2022-05-30
Anticipated expiration: 2040-07-09
Also published as: JP2022015464A

Description

本発明は、アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼させるアンモニア燃料燃焼装置に関するものである。特に、アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼させるにあたり、アンモニア燃料を改質させて燃焼性を高め、改質させた改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて、低温で燃焼させる場合にも安定した燃焼が行えるようにすると共に、燃焼時におけるＮＯｘの発生を抑制できるようにした点に特徴を有するものである。

燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼させる燃焼装置においては、一般に、燃料として炭化水素系燃料を用いたものが使用されている。

しかし、このように燃焼装置において炭化水素系燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼させた場合、二酸化炭素などの温室効果ガスが多く発生するという問題があった。

そして、近年においては、二酸化炭素などの温室効果ガスを削減することが要望され、燃料に炭化水素系燃料以外のものを用いることが検討されている。

また、従来から、燃焼装置における燃料として、アンモニア燃料を用いることが知られているが、アンモニア燃料は炭化水素系燃料に比べて燃焼性が悪く、完全燃焼させることが困難であり、また低温での燃焼時に失火しやすい一方、強く燃焼させるようにすると、火炎温度が高くなって、ＮＯｘが発生しやすくなるという問題あった。

そして、従来においては、燃焼性が悪いアンモニア燃料を燃焼させるにあたって、特許文献１に示されるように、アンモニア燃料を噴出させるバーナーチップの下流側にディフューザーを配置し、アンモニア燃料を自然吸引された燃焼用空気と一緒にディフューザーの周辺を迂回させて混合させ、このように混合させたアンモニア燃料と燃焼用空気とを渦流状態にしてディフューザーの上側に滞留させて一気に燃焼させ、アンモニア燃料の燃焼性を高めるようにしたものが提案されている。

しかし、特許文献１のように燃焼用空気を自然吸引させる場合、多くのアンモニア燃料を燃焼させる大型の燃焼装置に用いることは困難であり、またこのようにして多くのアンモニア燃料を燃焼させるようにした場合、アンモニア燃料が一気に燃焼されて火炎温度が高くなり、ＮＯｘの発生が多くなるという問題もあった。

また、特許文献２においては、アンモニア燃料と燃焼用空気とを予混合させて均一化させた後、このように予混合させたガスを、スワラにより旋回させて強く攪拌しながら燃焼させて、アンモニア燃料の燃焼性を高めるようにしたものが提案されている。

しかし、特許文献２のように、アンモニア燃料と燃焼用空気とを予混合させたガスを、スワラにより旋回させて強く攪拌しながら燃焼させるようにした場合においても、アンモニア燃料が一気に燃焼されて火炎温度が高くなり、ＮＯｘの発生が多くなるという問題があった。

実公昭５０－８２５７号公報特開２０１６－１３０６１９号公報

本発明は、アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼させる場合における前記のような問題を解決することを課題とするものである。

すなわち、本発明は、前記のようにアンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼させるあたり、アンモニア燃料を改質させて燃焼性を高め、改質させた改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させ、低温で燃焼させる場合にも安定した燃焼が行えるようにすると共に、燃焼時におけるＮＯｘの発生を抑制できるようにすることを課題とするものである。

本発明に係るアンモニア燃料燃焼装置においては、前記のような課題を解決するため、アンモニア燃料を改質器内においてアンモニア燃料の一部を水素ガスと窒素ガスとに分解させ、アンモニア燃料に分解された水素ガスと窒素ガスとが含まれた改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼管内で燃焼させるアンモニア燃料燃焼装置において、前記の改質器と燃焼管とを連続して設け、前記の改質アンモニア燃料を、前記の改質器から改質燃料案内管を通して燃焼管内に導くと共に、前記の燃焼用空気を燃焼用空気供給管から燃焼管内における前記の改質燃料案内管の外周を通して改質燃料案内管の先端部に導き、燃焼用空気を前記の改質アンモニア燃料と混合させて燃焼させるようにした。

また、本発明に係る他のアンモニア燃料燃焼装置においては、前記のような課題を解決するため、アンモニア燃料の一部を改質器内において水素ガスと窒素ガスとに分解させ、残りのアンモニア燃料に分解された水素ガスと窒素ガスとを混合させた改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼管内で燃焼させるアンモニア燃料燃焼装置において、前記の改質器と燃焼管とを連続して設け、前記のアンモニア燃料を案内する燃料案内管を第１燃料案内管と第２燃料案内管とに分岐させて、前記の第１燃料案内管と第２燃料案内管とに導くアンモニア燃料の量を調整手段により調整し、前記の第１燃料案内管に導かれたアンモニア燃料を、前記の改質器内において水素ガスと窒素ガスとに分解させて分解ガス案内管により燃焼管内に導く一方、前記の第２燃料案内管を前記の分解ガス案内管に接続させて、前記の分解ガス案内管における前記の水素ガスと窒素ガスとに、前記の第２燃料案内管に導かれたアンモニア燃料を混合させた改質アンモニア燃料を改質燃料案内管に導くと共に、前記の燃焼用空気を燃焼用空気供給管から燃焼管内における前記の改質燃料案内管の外周を通して改質燃料案内管の先端部に導き、燃焼用空気を前記の改質アンモニア燃料と混合させて燃焼させるようにした。

ここで、本発明における前記の各アンモニア燃料燃焼装置においては、前記の改質器に、アンモニア燃料を水素ガスと窒素ガスとに分解させる触媒を収容させた触媒収容部を設けると共に、触媒収容部内に導かれたアンモニア燃料を加熱させる加熱手段を設けるようにすることができる。

本発明におけるアンモニア燃料燃焼装置においては、前記のようにアンモニア燃料を改質器内においてアンモニア燃料の一部を水素ガスと窒素ガスとに分解させ、アンモニア燃料に分解された水素ガスと窒素ガスとが含まれた改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼管内で燃焼させ、或いは、アンモニア燃料の一部を改質器内において水素ガスと窒素ガスとに分解させ、残りのアンモニア燃料に分解された水素ガスと窒素ガスとを混合させた改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼管内で燃焼させるようにした。

この結果、本発明におけるアンモニア燃料燃焼装置においては、アンモニア燃料と、アンモニア燃料が分解された水素ガスと窒素ガスとを含む改質アンモニア燃料が燃焼用空気と混合されて燃焼管内で燃焼されるようになり、アンモニア燃料だけを用いた場合に比べて、アンモニア燃料に加えた水素ガスにより改質アンモニア燃料の燃焼性が向上し、改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて低温で燃焼させる場合においても、安定した燃焼が行えるようになると共に、従来のように、アンモニア燃料を燃焼させるために強く攪拌する必要がなく、燃焼時におけるＮＯｘの発生を抑制できるようになる。

本発明の第１の実施形態に係るアンモニア燃料燃焼装置の構造を示した概略説明図である。前記の第１の実施形態に係るアンモニア燃料燃焼装置の変更例を示した概略説明図である。本発明の第２の実施形態に係るアンモニア燃料燃焼装置の構造を示した概略説明図である。前記の第２の実施形態に係るアンモニア燃料燃焼装置を変更させた参考形態の概略説明図である。

以下、本発明の実施形態に係るアンモニア燃料燃焼装置を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明に係るアンモニア燃料燃焼装置は、下記の実施形態に示したものに限定されず、発明の要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施できるものである。

（実施形態１）
実施形態１におけるアンモニア燃料燃焼装置においては、図１に示すように、燃料案内管１０を通して、アンモニア燃料のアンモニアガスＮＨ_３を改質器２０に導くようにしている。

ここで、前記の改質器２０においては、その内部に、加熱されたアンモニアガスＮＨ_３を水素ガスＨ_２と窒素ガスＮ_２とに分解させる触媒Ｓを収容させた触媒収容部２１を設けると共に、上記の触媒ＳによるアンモニアガスＮＨ_３の分解作用を活性化させるために、この触媒収容部２１内に導かれたアンモニアガスＮＨ_３を加熱させる加熱手段としてヒーター２２を設けている。

そして、この実施形態１におけるアンモニア燃料燃焼装置においては、前記のように燃料案内管１０を通してアンモニアガスＮＨ_３を、改質器２０内に設けられた前記の触媒収容部２１内に導くと共に、前記のヒーター２２によりアンモニアガスＮＨ_３が導かれた触媒収容部２１を加熱させて、触媒収容部２１内に導かれたアンモニアガスＮＨ_３の一部を、前記の触媒Ｓにより水素ガスＨ_２と窒素ガスＮ_２とに分解させるようにしている。

次いで、アンモニアガスＮＨ_３に、前記のようにアンモニアガスＮＨ_３の一部が触媒Ｓによって分解された水素ガスＨ_２と窒素ガスＮ_２とを含んだ改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）からなる改質アンモニア燃料を、前記の触媒収容部２１から改質燃料案内管３１を通して燃焼管３０内に導くと共に、燃焼用空気供給管３２を通してこの燃焼管３０内に燃焼用空気Ａを供給し、この燃焼用空気Ａを前記の改質燃料案内管３１の外周に沿って改質燃料案内管３１の先端部に導いて、前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）とこの燃焼用空気Ａを混合させて燃焼させるようにしている。

ここで、前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）においては、アンモニアガスＮＨ_３の他に、アンモニアガスＮＨ_３を分解させて得た水素ガスＨ_２が含まれているため、アンモニアガスＮＨ_３だけを燃焼用空気Ａと混合させて燃焼させる場合に比べて燃焼性が向上し、前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）を低温で燃焼させる場合に、安定した燃焼が行えるようになると共に、燃焼時に強く攪拌する必要がなく、燃焼時に火炎温度が高くなるのを防止して、燃焼時にＮＯｘが発生するのを抑制することができる。

なお、この実施形態１においては、触媒収容部２１内に導かれたアンモニアガスＮＨ_３を加熱させる加熱手段として、改質器２０内にヒーター２２を設けるようにしたが、図示していないが、改質器２０内に触媒収容部２１だけを設け、改質器２０の外部にヒーター２２を設けるようにすることも可能である。

また、触媒収容部２１内に導かれたアンモニアガスＮＨ_３を加熱させるにあたり、図２に示すように、熱風供給管２３から改質器２０内に熱風ＨＡを供給し、この熱風ＨＡにより、触媒収容部２１内に導かれたアンモニアガスＮＨ_３を加熱させて、前記の触媒ＳによりアンモニアガスＮＨ_３を水素ガスＨ_２と窒素ガスＮ_２とに分解させ、その後、前記の熱風ＨＡを改質器２０内から熱風排気管２４を通して排気させるようにすることもできる。

ここで、前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）の成分を調整する場合には、ヒーター２２や熱風ＨＡの温度を変えることにより、前記の触媒ＳによってアンモニアガスＮＨ_３を活性化させる度合いを変更させて、アンモニアガスＮＨ_３を水素ガスＨ_２と窒素ガスＮ_２とに分解させる量を調整させるようにすることができる。

（実施形態２）
実施形態２におけるアンモニア燃料燃焼装置においては、図３に示すように、アンモニア燃料のアンモニアガスＮＨ_３を案内する燃料案内管１０を、改質器２０に導く前において、第１燃料案内管１０Ａと第２燃料案内管１０Ｂとに分岐させ、分岐された第１燃料案内管１０Ａに第１流量調整弁１１Ａを設け、この第１流量調整弁１１Ａにより、第１燃料案内管１０Ａを通して導かれるアンモニアガスＮＨ_３の量を調整すると共に、分岐された第２燃料案内管１０Ｂに第２流量調整弁１１Ｂを設け、この第２流量調整弁１１Ｂにより、第２燃料案内管１０Ｂを通して導かれるアンモニアガスＮＨ_３の量を調整するようにしている。

ここで、この実施形態２におけるアンモニア燃料燃焼装置においては、燃料案内管１０から分岐された前記の第１燃料案内管１０Ａを、前記の実施形態１のものと同様に構成された改質器２０に接続させ、前記の第１流量調整弁１１Ａにより、この第１燃料案内管１０Ａを通して改質器２０に導かれるアンモニアガスＮＨ_３の量を調整し、所定量のアンモニアガスＮＨ_３を改質器２０内に設けられた前記の触媒収容部２１内に導き、前記のヒーター２２により触媒収容部２１を加熱させて、触媒収容部２１内に導かれた所定量のアンモニアガスＮＨ_３を、前記の触媒Ｓにより水素ガスＨ_２と窒素ガスＮ_２とに分解させるようにしている。

そして、このようにアンモニアガスＮＨ_３を触媒収容部２１内において分解させた水素ガスＨ_２と窒素ガスＮ_２とを、前記の触媒収容部２１から分解ガス案内管３４を通して燃焼管３０内に導くにようにしている。

一方、燃料案内管１０から分岐された前記の第２燃料案内管１０Ｂを、前記のように触媒収容部２１から燃焼管３０内に導かれた分解ガス案内管３４に合流させ、前記の第２流量調整弁１１Ｂによって、この第２燃料案内管１０Ｂを通して分解ガス案内管３４に導くアンモニアガスＮＨ_３の量を調整し、この第２燃料案内管１０Ｂから所定量のアンモニアガスＮＨ_３を、前記の分解ガス案内管３４を通して導かれる水素ガスＨ_２と窒素ガスＮ_２とに合流させて前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）の状態にし、この改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）を、分解ガス案内管３４と第２燃料案内管１０Ｂとが合流された改質燃料案内管３１に導くようにしている。

そして、前記の燃焼管３０内において、前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）を前記改質燃料案内管３１の先端部に導くようにすると共に、前記の実施形態１のものと同様に、前記の燃焼用空気供給管３２を通して燃焼管３０内に燃焼用空気Ａを供給し、この燃焼用空気Ａを前記の改質燃料案内管３１の外周に沿って改質燃料案内管３１の先端部に導き、前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）と、燃焼用空気Ａとを混合させて燃焼させるようにしている。

このようにすると、前記の実施形態１の場合と同様に、前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）においては、アンモニアガスＮＨ_３の他に、アンモニアガスＮＨ_３を分解させて得た水素ガスＨ_２が含まれているため、アンモニアガスＮＨ_３だけを燃焼用空気Ａとを混合させて燃焼させる場合に比べて、その燃焼性が向上し、前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）を低温で燃焼させる場合に、安定した燃焼が行えるようになると共に、燃焼時に強く攪拌する必要がなく、燃焼時に火炎温度が高くなるのを防止して、燃焼時にＮＯｘが発生するのを抑制することができる。

なお、この実施形態２においても、触媒収容部２１内に導かれたアンモニアガスＮＨ_３を加熱させる加熱手段として、改質器２０内にヒーター２２を設けるようにしたが、前記の実施形態１のものと同様に、改質器２０内に触媒収容部２１だけを設け、改質器２０の外部にヒーター２２を設けるようにすることができ、また前記の実施形態１の図２に示したものと同様に、熱風供給管２３から改質器２０内に熱風ＨＡを供給し、この熱風ＨＡにより、触媒収容部２１内に導かれたアンモニアガスＮＨ_３を加熱させて、前記の触媒ＳによりアンモニアガスＮＨ_３を水素ガスＨ_２と窒素ガスＮ_２とに分解させ、その後、前記の熱風ＨＡを改質器２０内から熱風排気管２４を通して排気させるようにすることもできる。

ここで、前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）の成分を調整する場合には、前述したようにヒーター２２や熱風ＨＡの温度を変えるのに加えて、第１流量調整弁１１Ａと第２流量調整弁１１Ｂの開度を変更させて調整することもできる。

また、この実施形態２におけるアンモニア燃料燃焼装置においては、燃料案内管１０から分岐された前記の第２燃料案内管１０Ｂを、前記の触媒収容部２１から燃焼管３０内に導かれた分解ガス案内管３４に接続させるようにしたが、図４に示す参考形態においては、触媒収容部２１内において分解された水素ガスＨ_２と窒素ガスＮ_２とを導く分解ガス案内管３４が燃焼管３０内に導かれる前に、前記の第２燃料案内管１０Ｂをこの分解ガス案内管３４に接続させ、第２燃料案内管１０Ｂを通して導かれた所定量のアンモニアガスＮＨ_３を、前記の分解ガス案内管３４を通して導かれる水素ガスＨ_２と窒素ガスＮ_２とに合流させて前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）の状態にし、この改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）を、分解ガス案内管３４と第２燃料案内管１０Ｂとが合流された改質燃料案内管３１を通して燃焼管３０内に導くようにした。

ここで、図３に示す構成であれば、改質器２０と燃焼管３０とが一体になるため、単体で燃焼装置（バーナー）として取り扱いがしやすく、炉体（図示せず）への組み立てや保守、管理が行いやすくなる。

一方、図４に示す参考形態においては、改質器２０を燃焼管３０と別に設置できるため、炉体（図示せず）への取付部品を小さくできたり、分解ガス案内管３４を分岐して、複数の燃焼管３０に対して、１つの改質器２０でまとめて賄ったりすることができる。

ここで、前記の実施形態１、２における前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）において、アンモニアガスＮＨ_３の量が多くなりすぎて、水素ガスＨ_２の量が少なくなると、改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）の燃焼性を十分に向上させることができず、低温での燃焼時に失火するおそれが生じる一方、アンモニアガスＮＨ_３の量が少なくなって、水素ガスＨ_２の量が多くなりすぎると、改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）の燃焼性が高くなりすぎて、燃焼時の火炎温度が高くなり、ＮＯｘの発生を抑制することが困難になる。

このため、前記の改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）に含まれるアンモニアガスＮＨ_３と水素ガスＨ_２との割合を、適正な範囲に調整することが好ましい。

このように、本発明では、低燃焼性燃料であるアンモニアガスＮＨ_３自体を用いて燃焼性の高い水素ガスＨ_２を作り出すことができるので、改質アンモニアガス（ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２）を作るために、水素タンクや水素供給設備を設ける必要がなく、本発明のアンモニア燃料燃焼装置を、非常に低コストで省スペースで実現することができる。

１０：燃料案内管
１０Ａ：第１燃料案内管
１０Ｂ：第２燃料案内管
１１Ａ：第１流量調整弁
１１Ｂ：第２流量調整弁
２０：改質器
２１：触媒収容部
２２：ヒーター
２３：熱風供給管
２４：熱風排気管
３０：燃焼管
３１：改質燃料案内管
３２：燃焼用空気供給管
３４：分解ガス案内管
Ａ：燃焼用空気
ＨＡ：熱風
Ｈ_２：水素ガス
Ｎ_２：窒素ガス
ＮＨ_３：アンモニアガス（アンモニア燃料）
ＮＨ_３＋Ｈ_２＋Ｎ_２：改質アンモニアガス（改質アンモニア燃料）
Ｓ：触媒

Claims

アンモニア燃料を改質器内においてアンモニア燃料の一部を水素ガスと窒素ガスとに分解させ、アンモニア燃料に分解された水素ガスと窒素ガスとが含まれた改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼管内で燃焼させるアンモニア燃料燃焼装置において、前記の改質器と燃焼管とを連続して設け、前記の改質アンモニア燃料を、前記の改質器から改質燃料案内管を通して燃焼管内に導くと共に、前記の燃焼用空気を燃焼用空気供給管から燃焼管内における前記の改質燃料案内管の外周を通して改質燃料案内管の先端部に導き、燃焼用空気を前記の改質アンモニア燃料と混合させて燃焼させることを特徴とするアンモニア燃料燃焼装置。
アンモニア燃料の一部を改質器内において水素ガスと窒素ガスとに分解させ、残りのアンモニア燃料に分解された水素ガスと窒素ガスとを混合させた改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼管内で燃焼させるアンモニア燃料燃焼装置において、前記の改質器と燃焼管とを連続して設け、前記のアンモニア燃料を案内する燃料案内管を第１燃料案内管と第２燃料案内管とに分岐させて、前記の第１燃料案内管と第２燃料案内管とに導くアンモニア燃料の量を調整手段により調整し、前記の第１燃料案内管に導かれたアンモニア燃料を、前記の改質器内において水素ガスと窒素ガスとに分解させて分解ガス案内管により燃焼管内に導く一方、前記の第２燃料案内管を前記の分解ガス案内管に接続させて、前記の分解ガス案内管における前記の水素ガスと窒素ガスとに、前記の第２燃料案内管に導かれたアンモニア燃料を混合させて、改質アンモニア燃料を改質燃料案内管に導くと共に、前記の燃焼用空気を燃焼用空気供給管から燃焼管内における前記の改質燃料案内管の外周を通して改質燃料案内管の先端部に導き、燃焼用空気を前記の改質アンモニア燃料と混合させて燃焼させることを特徴とするアンモニア燃料燃焼装置。
請求項１又は請求項２に記載のアンモニア燃料燃焼装置において、前記の改質器に、アンモニア燃料を水素ガスと窒素ガスとに分解させる触媒を収容させた触媒収容部を設けると共に、触媒収容部内に導かれたアンモニア燃料を加熱させる加熱手段を設けたことを特徴とするアンモニア燃料燃焼装置。