JP7369158B2 - アンモニア燃料ボイラ、及び、アンモニア供給システム - Google Patents

アンモニア燃料ボイラ、及び、アンモニア供給システム Download PDF

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Description

本開示は、アンモニア燃料ボイラ、及び、アンモニア供給システムに関する。
従来、アンモニアが燃料として火炉内に供給されるアンモニア燃料ボイラが知られている。例えば、特許文献１で開示されるアンモニア燃料ボイラでは、炉本体に設けられたバーナに、微粉炭とアンモニアとの両方が供給される。これにより、炉本体の燃焼室内ではアンモニアと微粉炭の混焼が行われる。特許文献１で開示されるバーナに供給されるアンモニアは、気体であると推定される。なぜなら、燃料として用いられる液体アンモニアは気化するための熱を必要とするので、同一のバーナに微粉炭と液体アンモニアとが供給されると、着火の不具合が生じ得るからである。
特開２０２０－１１２２８０号公報
アンモニアガスは液体アンモニアに比べて単位質量あたりの体積である比容積が大きい。従って、上記の特許文献１では、アンモニアを供給するための供給路が大型化せざるを得ず、アンモニア燃料ボイラの高コスト化を招くおそれがある。
本開示は、低コストなアンモニア燃料ボイラ及びアンモニア供給システムを提供することである。
本発明の少なくとも一実施形態に係るアンモニア燃料ボイラは、
火炉壁を含む火炉と、
前記火炉壁に設けられるアンモニアバーナと
を備え、
前記アンモニアバーナは、
液体アンモニアが供給されるように構成されたアンモニア供給路と、
前記アンモニア供給路から供給される前記液体アンモニアを液状のまま前記火炉の内部に噴射するように構成されたアンモニア噴射ノズルと
を含む。
本発明の少なくとも一実施形態に係るアンモニア供給システムは、
上記アンモニアバーナと、
前記液体アンモニアが貯留されるアンモニアタンクと、
前記アンモニアタンクと前記アンモニアバーナとをつなぐアンモニア供給ラインと、
前記アンモニア供給ラインに設けられたポンプと、
前記アンモニア供給ラインの圧力を調整するための圧力調整弁と、
前記アンモニア供給ラインに設けられ、前記アンモニアタンクと前記アンモニアバーナの連通状態を切り替えるための切替弁と
を備える。
本開示によれば、低コストなアンモニア燃料ボイラ及びアンモニア供給システムを提供できる。
一実施形態に係るボイラ運転システムの概念図である。 一実施形態に係るアンモニアバーナの構成を示す断面図である。 一実施形態に係るアンモニア噴射ノズルの軸方向に沿った断面図である。 一実施形態に係るアンモニア噴射ノズルの軸方向と直交する断面図である。 他の実施形態に係るアンモニア噴射ノズルの軸方向に沿った断面図である。 他の実施形態に係るアンモニア噴射ノズルの軸方向視における図である。 一実施形態に係るバーナユニットの具体的な構成の説明図である。 他の実施形態に係るバーナユニットの具体的な構成の説明図である。 他の実施形態に係るバーナユニットの具体的な構成の説明図である。 一実施形態に係るバーナの配置例である。 一実施形態に係る供給システム１５の構成を示す図である。
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。
図１は、一実施形態に係るボイラ運転システム１の概念図である。
ボイラ運転システム１は、例えば図示外の火力発電ブラントに組み込まれるアンモニア燃料ボイラ２（以下、単にボイラ２という場合がある）と、ボイラ２に空気及び燃料を供給するための供給システム１５と、ボイラ２の運転を制御するためのボイラ用の制御装置５（以下、単に制御装置５という場合がある）とを備える。
供給システム１５からボイラ２に供給される燃料には、液体アンモニアが含まれる。液体アンモニアは水素ガスなどの気体を含まないが、ボイラ２での燃焼に影響を与えない程度の不純物（例えば尿素）を含んでいてもよい。液体アンモニアはボイラ２内でアンモニアガスに気化する。
ボイラ２に供給される燃料には、他の燃料が含まれてもよい。例えばボイラ２内では、他の燃料を用いた燃焼が行われた後に、アンモニアガスと他の燃料との混焼またはアンモニアガスの専焼が行われる。
アンモニア以外の他の燃料の一例である炭素含油燃料は、バイオマス燃料、及び化石燃料などである。化石燃料は、液化天然ガス、重油または軽油などの油、もしくは微粉炭などの石炭である。以下では、炭素含有燃料が油と微粉炭である実施形態を例示する。
一実施形態のボイラ２は、火炉壁１９を含む火炉２０と、火炉壁１９に設けられた複数のバーナユニット３０とを含む。
火炉２０は、バーナユニット３０によって噴射された燃料が燃焼用空気と反応して燃焼するための筒状の中空体であり、例えば、円筒形状や四角柱状など種々の形態をとり得る。一実施形態では、火炉２０の内部で生じたガス（例えば燃焼ガス及び未燃焼ガス）は、煙道８に流れる。
複数のバーナユニット３０は、火炉２０内部で生じたガスが流れる方向（図１の矢印Ａ）に沿って複数段に分かれて配置される。一実施形態では、３段のバーナユニット３０が設けられる。以下では、ガスの流れ方向の下流側から順に各段のバーナユニット３０を第１バーナユニット３１、第２バーナユニット３２、及び第３バーナユニット３３という場合があり、これら３段のバーナを総称してバーナユニット３０という場合がある。なお、バーナユニット３０は、２段または４段などに分かれて配置されてもよい。
一実施形態のボイラ２は旋回燃焼型ボイラであり、各段に設けられたバーナユニット３０は、火炉２０の周方向に沿って等間隔に複数配置される。各段のバーナユニット３０の個数は一例として４個であるが、図１では各段のバーナユニット３０を１つのみ図示している。なお、各段のバーナユニット３０は、３個または５個以上であってもよい。
他の実施形態に係るボイラ２は、対向燃焼型ボイラである。この場合、各段のバーナユニット３０は、互いに対向する位置に少なくとも一対設けられる。
各々のバーナユニット３０は、少なくとも１つのバーナを含む。そして、少なくとも１つのバーナユニット３０では、上記バーナが、液体アンモニアを液状のまま火炉２０の内部に噴射するように構成されたアンモニアバーナ５０である。アンモニアバーナ５０は、液体アンモニアのみを噴射するように構成されてもよい。もしくはアンモニアバーナ５０は、炭素含有燃料を噴射した後に、炭素含有燃料と共に（または炭素含有燃料に代えて）液体アンモニアを噴射するように構成されてもよい。
一実施形態では、第１バーナユニット３１がアンモニアバーナ５０を含む。第２バーナユニット３２と第３バーナユニット３３は、アンモニアバーナ５０を含んでもよいし、含まなくてもよい。他の実施形態では、アンモニアバーナ５０は、第２バーナユニット３２または第３バーナユニット３３のみに含まれてもよい。
さらに、いずれのかのバーナユニット３０は、炭素含有燃料を火炉２０内に噴射するための燃料バーナ３５（図４Ａ参照）を含んでもよい。詳細は後述する。
一実施形態では、供給システム１５は、制御装置５からの制御指令に応じて、バーナユニット３０に１次空気及び燃料を供給する。バーナユニット３０へ供給される燃料（本例では液体アンモニア及び炭素含有燃料）は、制御装置５によって選択的に切り替わってもよい。例えば、いずれかの段のバーナユニット３０では、炭素含有燃料（例えば油）が供給された後に液体アンモニアが供給されてもよい。
一実施形態の供給システム１５は、バーナユニット３０よりも下流側で火炉壁１９に設けられた供給部４を介して、２次空気を供給するように構成される。
図２を参照し、一実施形態に係るアンモニアバーナ５０の構成の詳細を説明する。
図２は、一実施形態に係るアンモニアバーナ５０の構成を示す断面図である。
上述したアンモニアバーナ５０は、供給システム１５（図１参照）からの液体アンモニアが供給されるように構成されたアンモニア供給路５２と、アンモニア供給路５２から供給される液体アンモニアを液状のまま火炉２０の内部に噴射するように構成されたアンモニア噴射ノズル５４とを備える。
上記構成によれば、アンモニア噴射ノズル５４によって噴射された液状のアンモニアは、火炉２０の内部でアンモニアガスに気化して燃焼する。液体アンモニアの比容積はアンモニアガスの比容積よりも小さいので、アンモニアガスが供給される場合と比べてアンモニア供給路５２を小型化できる。
なお、アンモニア噴射ノズル５４の先端は、火炉壁１９の同一面または火炉２０の内側に配置されている。アンモニアバーナ５０の内部で液体アンモニアを噴射すると、液体燃料がアンモニアバーナ５０内部で衝突することに起因する失火などの不具合が起こる場合があり、これを防止するためである。
一実施形態に係るアンモニアバーナ５０は、火炉２０内で生じる燃焼火炎を保炎するように構成された保炎効果を有する機構６０をさらに備える。
難燃性を有する液体アンモニアが燃料として用いられる場合、火炉２０内で失火が起こる可能性がある。失火を回避するためには、液体アンモニアは火炉２０内で気化してさらに熱分解する必要がある。この点、上記の保炎効果を有する機構６０が燃焼火炎を保炎することで、液体アンモニアは気化及び熱分解するための熱を得ることができるので、火炉２０内における失火を抑制することができる。
一実施形態に係る保炎効果を有する機構６０はスワラ型である。より具体的な一例として、保炎効果を有する機構６０は、アンモニア噴射ノズル５４が内側に配置される内筒６２と、内筒６２を囲むように配置された外筒６４と、スワラ６５とを備える。一実施形態の外筒６４は、内筒６２を囲む第１外筒６４Ａと、第１外筒６４Ａを囲む第２外筒６４Ｂとを含む。第１外筒６４Ａと内筒６２との間には、火炉２０の内部と連通する空気供給路６３Ａが形成される。同様に、第１外筒６４Ａと第２外筒６４Ｂとの間にも、火炉２０の内部と連通する空気供給路６３Ｂが形成される。空気供給路６３Ａ、６３Ｂを流れる空気は、供給システム１５（図１参照）から供給される１次空気である。スワラ６５は、空気供給路６３Ａに設けられ、空気供給路６３Ａを流れる空気に旋回力を付与するように構成される。
空気供給路６３Ａから火炉２０に供給される空気にはスワラ６５によって旋回力が付与される（矢印Ｂ）。これにより、アンモニア噴射ノズル５４から噴射される液体アンモニアと空気との混合が促進される。従って、火炉２０の内部において液体アンモニアの拡散が促進され、火炉２０内の液体アンモニアが熱分解し易い。
なお、他の実施形態では、保炎効果を有する機構６０は、スワラ型に代えてディフューザ型であってもよい。また、アンモニアバーナ５０は保炎効果を有する機構６０を備えなくてもよい。
図３Ａ～図３Ｄを参照し、アンモニア噴射ノズル５４Ａ、５４Ｂの構成を詳説する。
図３Ａは、一実施形態に係るアンモニア噴射ノズル５４Ａ（５４）の軸方向に沿った断面図である。
図３Ｂは、一実施形態に係るアンモニア噴射ノズル５４Ａ（５４）の軸方向と直交する断面図である。
図３Ｃは、他の実施形態に係るアンモニア噴射ノズル５４Ｂ（５４）の軸方向に沿った断面図である。
図３Ｄは、他の実施形態に係るアンモニア噴射ノズル５４Ｂ（５４）の軸方向視における図である。
図３Ａ～図３Ｄで例示されるアンモニア噴射ノズル５４Ａ、５４Ｂ（５４）は、アシスト流体を用いずに液体アンモニアを液状のまま噴射するための１流体ノズルである。１流体ノズルが採用されることで、アンモニア噴射ノズル５４内では、液体アンモニアが気化することに起因するベーパロックが抑制される。従って、アンモニア噴射ノズル５４は液体アンモニアを良好に噴射できる。
図３Ａ、図３Ｂで示されるアンモニア噴射ノズル５４Ａは、渦巻噴射ノズル（スワールアトマイザ）である。アンモニア噴射ノズル５４Ａは、供給システム１５からの液体アンモニアを供給するための複数の供給ポート５５、供給ポートから供給される液体アンモニアが旋回するための渦流室（スワールチャンバ）５６、及び、液体アンモニアを火炉２０内に噴射するための噴射口５７を備える。
供給ポート５５は、一例として円錐状に形成された渦流室５６の周方向に沿って等間隔に４つ配置される。供給ポート５５から供給される液体アンモニアが渦流室５６内で旋回力を付与され、噴射口５７から噴射される液体アンモニアは、噴射口５７から遠ざかるほど拡径する薄い液膜になる。これにより、噴射された液体アンモニアは火炉２０内部で分裂し易く、微粒化することができる。
一実施形態では、アンモニア噴射ノズル５４Ａは、液体アンモニアのみを噴射するように構成されてもよい。もしくは、アンモニア噴射ノズル５４Ａは、液体アンモニアを噴射する前に、例えば油を噴射するように構成されてもよい。この場合、供給システム１５が複数の供給ポート５５に油を供給する。さらに複数の供給ポート５５のいずれかには、アトマイズ蒸気が供給されてもよい。この場合、アンモニア噴射ノズル５４Ａは、アトマイズ蒸気と油とを噴射するように構成される。なお、供給システム１５から供給ポート５５に供給される燃料（油及び液体アンモニア）は、制御装置５の制御によって選択的に切り替わればよい。
他の実施形態では、供給ポート５５の個数は例えば３つであってもよい。また、渦流室５６はらせん状に形成されてもよいし、あるいは、径方向外側から内側に向けて直線状に延在する複数の流路を含んでもよい。いずれの実施形態であっても、渦流室５６を流れる液体アンモニアには旋回力が付与される。
図３Ｃを参照し、他の実施形態に係るアンモニア噴射ノズル５４Ｂ（５４）を説明する。図３Ｃ、図３Ｄで示されるアンモニア噴射ノズル５４Ｂはファンスプレーノズルである。
アンモニア噴射ノズル５４Ｂは、供給システム１５からの液体アンモニアが流入するように構成された流入室５８と、流入室５８に流入した液体アンモニアを噴射するための噴射口５９とを備える。噴射口５９は、軸方向視でスリット形状を呈する。流入室５８に流入する液体アンモニアの圧力が比較的高圧であれば、噴射口５９から噴射される液体アンモニアは、シート状の薄い液膜になる。これにより、噴射された液体アンモニアは火炉２０内で分裂し易く、微粒化することができる。
なお、他の実施形態に係るアンモニア噴射ノズル５４は、渦巻噴射ノズルまたはファンスプレーノズルに代えて、単純な液噴流の状態で液体アンモニアを噴射するプレーンジェット型のアトマイザであってもよい。
図４Ａ～図４Ｃを参照し、アンモニアバーナ５０を含むバーナユニット３０Ａ～３０Ｃ（３０）の構成の一例を説明する。
図４Ａは、一実施形態に係るバーナユニット３０Ａ（３０）の具体的な構成の説明図である。
図４Ｂは、他の実施形態に係るバーナユニット３０Ｂ（３０）の具体的な構成の説明図である。
図４Ｃは、他の実施形態に係るバーナユニット３０Ｃ（３０）の具体的な構成の説明図である。
バーナユニット３０Ａ～３０Ｃは、火炉壁１９に設けられた開口部１８に取り付けられる。図４Ｂ、図４Ｃでは、火炉壁１９と開口部１８の図示を省略する。
図４Ａ～図４Ｃに示すように、各段のバーナユニット３０は、５つの噴射手段４０を含む。各々の噴射手段４０は、燃料または空気を火炉２０に供給するように構成される。一例として、各々の噴射手段４０は、既述のアンモニアバーナ５０、炭素含有燃料を噴射するための燃料バーナ３５、または、空気を噴射するための空気ノズル４２のいずれかである。
図４Ａで示されるバーナユニット３０Ａ（３０）は、アンモニアの混焼率が熱量換算で約５０％となった後、アンモニア専焼に切り替わるように構成される。
また、バーナユニット３０Ａは、一例として既設のバーナのユニットである。従って、バーナユニット３０Ａの一部の構成要素は混焼時に不使用であってもよい。あるいは、該構成要素は、混焼時のみに使用され、専焼時には不使用であってもよい。
バーナユニット３０Ａの第１バーナユニット３１Ａ（３１）、第２バーナユニット３２Ａ（３２Ａ）、及び第３バーナユニット３３Ａ（３３）ではいずれも、５つの噴射手段４０に同じ構成が適用されている。具体的には、最も外側にある２つの噴射手段４０はいずれも空気ノズル４２であり、中央にある噴射手段４０はアンモニアバーナ５０である。そして、アンモニアバーナ５０と上側の空気ノズル４２との間にある噴射手段４０は燃料バーナ３５であり、残る１つの噴射手段４０は使用されない。図４Ａの例では、バーナユニット３０Ａの燃料バーナ３５はいずれも、炭素含有燃料として微粉炭を噴射するように構成された石炭バーナである。
一実施形態では、第１バーナユニット３１Ａのアンモニアバーナ５０から噴射される燃料は液体アンモニアのみであり、第２バーナユニット３２Ａと第３バーナユニット３３Ａのアンモニアバーナ５０から噴射される燃料は、油と液体アンモニアである。
バーナユニット３０Ａは例えば以下のように作動する。
はじめに、炭素含有燃料を用いた燃焼が行われる。具体的には、空気ノズル４２が１次空気を噴射し、燃料バーナ３５が微粉炭を噴射する。このとき、第１バーナユニット３１Ａのアンモニアバーナ５０は作動せず、第２バーナユニット３２Ａと第３バーナユニット３３Ａの各々のアンモニアバーナ５０は油を噴射する。
その後、第１バーナユニット３１Ａのアンモニアバーナ５０から液体アンモニアが噴射され、残る２つのアンモニアバーナ５０から噴射される燃料は油から液体アンモニアに切り替わる。これにより、アンモニアの混焼が火炉２０内で行われる。その後、バーナユニット３０Ａの３つの燃料バーナ３５では微粉炭の噴射が停止され、火炉２０に噴射される燃料は３つのアンモニアバーナ５０からの液体アンモニアのみとなる。これにより、火炉２０内での燃焼は、アンモニアの混焼からアンモニアの専燃に切り替わる。
なお、他の実施形態では、バーナユニット３０Ａの作動時に常に不使用な状態の３つの噴射手段４０が、アンモニアまたは炭素含有燃料を噴射するように構成されてもよい。また、燃料バーナ３５は、炭素含有燃料として微粉炭の代わりに油を噴射するように構成されてもよい。さらに、第１バーナユニット３１Ａの下流側に、液体アンモニアを噴射するためのバーナユニットがさらに追加的に設けられてもよい。例えば、バーナユニット３０Ａが新設のバーナのユニットである実施形態では、該アンモニアバーナユニットが設けられる。
図４Ｂで示されるバーナユニット３０Ｂ（３０）は、アンモニアと炭素含有燃料との混焼率が熱量換算で約５０％となるように構成される。また、バーナユニット３０Ｂは、一例として既設のバーナのユニットである。従って、バーナユニット３０の一部の構成要素は使用されなくてもよい。
図４Ｂでは、バーナユニット３０Ｂに含まれる噴射手段４０の具体例の組み合わせを複数パターン示す都合、噴射手段４０を概念的に図示している。
パターンＡからパターンＥまでの各パターンの詳説は省略するが、例えば、いずれのパターンにおいても、各バーナユニット３０Ｂの最も外側にある２つ噴射手段４０は、空気ノズル４２である。
また、パターンＡにおける第１バーナユニット３１Ｂ（３１）では、中央にある噴射手段４０は空気ノズル４２であり、上側の空気ノズル４２と中央側の空気ノズル４２との間の噴射手段４０は、液体アンモニアのみを噴射するアンモニアバーナ５０である。さらに、中央側の空気ノズル４２と下側の空気ノズル４２との間の噴射手段４０は、燃料バーナ３５として機能する。該燃料バーナ３５は、例えば微粉炭を噴射する石炭バーナである。
また、パターンＡにおける第２バーナユニット３２Ｂ（３２）と第３バーナユニット３３Ｂ（３３）では、中央側の噴射手段４０は、炭素含有燃料として油を噴射する燃料バーナ３５である。該燃料バーナ３５は、油を噴射した後、空気（１次空気）を噴射するように構成され、油から空気への切り替えは、制御装置５によって制御される。なお、第３バーナユニット３３の１つの噴射手段４０は使用されない。
パターンＣ～Ｅにおいては、バーナユニット３０Ｂのうちで第１バーナユニット３１Ｂのみが３つのアンモニアバーナ５０を含む。また、第１バーナユニット３１ＢはパターンＣ、Ｄでは燃料バーナ３５を含まず、パターンＥでは燃料バーナ３５を含む。第２バーナユニット３２Ｂと第３バーナユニット３３Ｂはいずれも燃料バーナ３５を含む。該燃料バーナ３５は、油を噴射した後に空気を噴射するように構成された油バーナ、または、微粉炭を噴射するように構成された石炭バーナである。従って、パターンＣからパターンＥにおいては、火炉２０の内部で生じるガスの流れ方向においてアンモニアバーナ５０よりも上流側に燃料バーナ３５が設けられる。この場合、液体アンモニアよりも燃焼し易い炭素含有燃料は、アンモニアバーナ５０よりも上流側で燃焼する。これにより、火炉２０内におけるアンモニアが熱分解するための火炉内温度は高温に保たれる。
図４Ｃで示されるバーナユニット３０Ｃ（３０）は、アンモニア専焼が行われるように構成される。
一実施形態では、炭素含有燃料を用いた燃焼が行われてから規定のタイミングが到来した後に、アンモニア専焼が行われてもよい。
図４Ｃでは、バーナユニット３０Ｃに含まれる噴射手段４０の具体例の組み合わせを複数パターン示す都合、噴射手段４０を概念的に図示している。
パターンＡからパターンＤまでの各パターンの具体的な説明は省略するが、表に記載された「油／空気」に対応する噴射手段４０は、油を噴射した後に空気（１次空気）を噴射するように構成された燃料バーナ３５を示す。また、「油／ＮＨ３」に対応する噴射手段４０は、油を噴射した後に液体アンモニアを噴射するように構成されたアンモニアバーナ５０を示す。
パターンＡからパターンＥのいずれにおいても、第１バーナユニット３１Ｃ（３１）から噴射される燃料は、液体アンモニアのみである。また、パターンＤでは、第１バーナユニット３１Ｃに含まれる５つの噴射手段４０は全て、アンモニアバーナ５０として機能する。
なお、他の実施形態では、パターンＡ～Ｄのいずれかの組み合わせで、アンモニアと炭素含有燃料（図４Ｃの例では油）との混焼が行われてもよい。熱量換算での混焼率は一例として５０％以上１００％未満である。
また、他の実施形態では、アンモニアバーナ５０は起動用燃料、例えば油を噴射することが可能な起動用燃料／アンモニア燃料の両用ノズルで構成されてもよい。アンモニア専焼バーナによる混焼においては、バーナの数により混焼率が可変となる。図示しないが、対向燃焼ボイラのバーナは、ボイラ２の前後壁に複数段バーナが設置してあり、それぞれの段ごとにミルから微粉炭が供給される。そのため、段ごとに、石炭専焼、アンモニア専焼、石炭・アンモニア混焼と設定を変えることで、混焼率を変化させることが可能となる。
アンモニア混焼率５０ｃａｌ％以上の高混焼を考えた場合の、バーナ配置例を図５に示す。起動用燃料とアンモニア燃料の両方を供給可能なノズルを設けることで、混焼率を可変にできるバーナパターンを構築できる。
なお、起動用燃料／アンモニア燃料両用ノズルを備えたバーナは、石炭バーナの起動燃料用バーナを改造して構成されてもよい。
図６を参照し、一実施形態に係る供給システム１５の詳細な構成を説明する。
図６は、一実施形態に係る供給システム１５の構成を示す図である。
供給システム１５は、１次空気を供給するための１次空気供給システム１１０、２次空気を供給するための２次空気供給システム１２０、液体アンモニアを供給するためのアンモニア供給システム１００、油を供給するための油供給システム８０、及び、微粉炭を供給するための微粉炭供給システム７０を備える。油供給システム８０と微粉炭供給システム７０は各々、炭素含有燃料を供給するためのシステムの一例である。
１次空気、液体アンモニア、微粉炭、及び油はバーナユニット３０に供給され、２次空気は火炉壁１９に設けられた供給部４に供給される。上記供給システム１５は、制御装置５によって制御されるように構成される。
以下では、火炉２０に設けられたバーナユニット３０が、アンモニア混焼とアンモニア専焼が順に行われるための既述のバーナユニット３０Ａ（図４Ａ参照）である実施形態を例示する。
１次空気供給システム１１０の空気供給ライン１１２は全てのバーナユニット３０Ａに接続される。空気供給ライン１１２には、１次空気の流量を計測するための空気流量計１１４、１次空気の流量を調整するための流量調整弁１１６、及び空気供給ライン１１２の連通状態を切り替えるための切替弁１１８が設けられる。
２次空気供給システム１２０の空気供給ライン１２２は供給部４に接続される。空気供給ライン１２２には、２次空気の流量を計測するための空気流量計１２４、２次空気の流量を調整するための流量調整弁１２６、及び空気供給ライン１２２の連通状態を切り替えるための切替弁１２８が設けられる。
空気流量計１１４、１２４は計測結果を制御装置５に送信するように構成され、流量調整弁１１６、１２６と切替弁１１８、１２８は制御装置５から送られる制御指令に応じて作動するように構成される。
アンモニア供給システム１００は、既述のアンモニアバーナ５０と、液体アンモニアが貯留されるアンモニアタンク１０１と、アンモニアタンク１０１とアンモニアバーナ５０とをつなぐアンモニア供給ライン１０２と、アンモニア供給ライン１０２に設けられたポンプ１０３と、アンモニア供給ライン１０２の圧力を調整するための圧力調整弁１０５と、アンモニア供給ライン１０２に設けられると共にアンモニアタンク１０１とアンモニアバーナ５０との連通状態を切り替えるための切替弁１０７とを備える。
上記構成のアンモニア供給システム１００では、液体アンモニアの比容積がアンモニアガスの比容積に比べて小さいので、アンモニア供給ライン１０２を構成する配管１０２Ａを小型化できる。これにより、アンモニア供給システム１００の低コスト化が実現する。
さらに、液体アンモニアが液状のままアンモニアバーナ５０に供給されるので、液体を気化させるための気化器をアンモニア供給ライン１０２に設ける必要がない。よって、アンモニア供給システム１００の低コスト化が実現する。
なお、アンモニアタンク１０１における液体アンモニアの供給圧力は、例えば１．２Ｍｐａ～２ＭＰａである。これにより、常温で液体アンモニアをアンモニアバーナ５０に供給するときにベーパロックを抑制できる。また、ベーパロックを抑制しつつ、アンモニアの混焼率を調整することもできる。
また、アンモニア供給ライン１０２の配管１０２Ａの配管径は、例えば１０ｃｍ～５０ｃｍである。配管径が５０ｃｍ以下であることで、アンモニアバーナ５０に液体アンモニアを供給する際に供給圧が極端に低くなるのを抑制できる。また、配管径が１０ｃｍ以上であることで、供給圧が極端に高くなるのを抑制できる。
一実施形態のアンモニア供給システム１００は、さらに、アンモニア供給ライン１０２を流れる液体アンモニアの流量を計測するためのアンモニア流量計１０９と、アンモニア供給ライン１０２を流れる液体アンモニアの流量を調整するための流量調整弁１０８とを備える。
一実施形態では、アンモニア流量計１０９は計測結果を制御装置５に送信するように構成され、切替弁１０７、圧力調整弁１０５、及び流量調整弁１０８は、制御装置５から送られる制御指令に応じて作動するように構成される。これにより、アンモニア供給システム１００は、いずれのアンモニアバーナ５０にも液体アンモニアを供給しない供給停止状態と、全てのアンモニアバーナ５０に液体アンモニアを供給する供給状態との間で変化できる。後述のように、アンモニア供給システム１００が供給停止状態のとき、第２バーナユニット３２Ａと第３バーナユニット３３Ａのアンモニアバーナ５０には、油供給システム８０から油が供給される。
一実施形態の油供給システム８０は、油供給装置８１、油供給装置８１とアンモニアバーナ５０とをつなぐ油供給ライン８２、油供給ライン８２を流れる油の流量を計測するための油流量計８４、油供給ライン８２を流れる油の流量調整するための油流量調整弁８６、及び、油供給ライン８２の連通状態を切り替えるための切替弁８８を備える。本例の油供給ライン８２は、第２バーナユニット３２Ａと第３バーナユニット３３Ａの各々のアンモニアバーナ５０に接続される。
一実施形態では、油流量計８４は計測結果を制御装置５に送信するように構成され、油供給装置８１、油流量調整弁８６、及び切替弁８８は、制御装置５からの制御指令に応じて作動するように構成される。これにより、油供給システム８０は、油供給ライン８２に接続されたアンモニアバーナ５０に油を供給する供給状態と、油の供給を停止する供給停止状態との間で変化できる。
なお、他の実施形態では、油供給ライン８２は、油を噴射するための燃料バーナ３５と接続されてもよい。また、油供給ライン８２は、アトマイズ蒸気が流入するように構成されてもよい。この場合、油とアトマイズ蒸気がバーナユニット３０に供給される。
一実施形態の微粉炭供給システム７０は、搬送ガスを用いて微粉炭を供給するための微粉炭供給装置７１、微粉炭供給装置７１とバーナユニット３０Ａとをつなぐ微粉炭供給ライン７２、微粉炭供給ライン７２を流れる微粉炭を計測するための微粉炭流量計７４、微粉炭供給ライン７２を流れる微粉炭の流量を調整するための微粉炭流量調整弁７６、及び、微粉炭供給ライン７２の連通状態を切り替えるための切替弁７８を備える。本例の微粉炭供給ライン７２は、第１バーナユニット３１Ａ、第２バーナユニット３２Ａ、及び第３バーナユニット３３Ａの各々の燃料バーナ３５に接続される。
微粉炭流量計７４は計測結果を制御装置５に送るように構成され、微粉炭供給装置７１、微粉炭流量調整弁７６、及び切替弁７８は、制御装置５からの制御指令に応じて作動するように構成される。これにより、微粉炭供給システム７０は、微粉炭の供給を停止する供給停止状態と、微粉炭をバーナユニット３０Ａに供給する供給状態との間で変化できる。微粉炭供給システム７０が供給状態のとき、石炭バーナとして機能する既述の燃料バーナ３５に微粉炭が供給される。
供給システム１５は、制御装置５の制御によって、例えば以下のように作動する。
はじめに、１次空気供給システム１１０と２次空気供給システム１２０が各々、空気を供給する。このとき、アンモニア供給システム１００は供給停止状態であり、油供給システム８０と微粉炭供給システム７０はいずれも供給状態である。従って、バーナユニット３０Ａには油と微粉炭が供給される。このとき、第１バーナユニット３１Ａのアンモニアバーナ５０は停止しており、第２バーナユニット３２Ａと第３バーナユニット３３Ａのアンモニアバーナ５０は油を噴射する。
その後、第１の規定タイミングが到来したことに応答して、制御装置５は供給システム１５に送る制御指令を切り替える。油供給システム８０は供給停止状態に変化し、アンモニア供給システム１００は供給状態に変化する。これにより、第１バーナユニット３１Ａは液体アンモニアを噴射し、第２バーナユニット３２Ｂと第３バーナユニット３３Ｂから噴射される燃料は油から液体アンモニアに切り替わる。微粉炭供給システム７０は供給状態を維持する。結果、ボイラ２ではアンモニアと石炭の混焼が行われる。
その後、第２の規定タイミングが到来したことに応答して、制御装置５は供給システム１５に送る制御指令をさらに切り替える。微粉炭供給システム７０は供給停止状態に変化し、石炭バーナとして機能する燃料バーナ３５は停止する。また、アンモニア供給システム１００は液体アンモニアの供給量を増やす。結果、ボイラ２ではアンモニアの専焼が行われる。
（まとめ）
以下、幾つかの実施形態に係るアンモニア燃料ボイラ２及びアンモニア供給システム１００について概要を記載する。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るアンモニア燃料ボイラ（２）は、
火炉壁（１９）を含む火炉（２０）と、
前記火炉壁（１９）に設けられるアンモニアバーナ（５０）と
を備え、
前記アンモニアバーナ（５０）は、
液体アンモニアが供給されるように構成されたアンモニア供給路（５２）と、
前記アンモニア供給路（５２）から供給される前記液体アンモニアを液状のまま前記火炉（２０）の内部に噴射するように構成されたアンモニア噴射ノズル（５４）と
を含む。
上記（１）の構成によれば、アンモニア噴射ノズル（５４）によって噴射された液状のアンモニアは火炉（２０）の内部でアンモニアガスに気化して燃焼する。液体アンモニアの比容積はアンモニアガスの比容積よりも小さいので、アンモニアガスが供給される場合と比べてアンモニア供給路（５２）を小型化できる。従って、低コストなアンモニア燃料ボイラ（２）が実現する。
（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記アンモニア噴射ノズル（５４）は、アシスト流体を用いずに前記液体アンモニアを液状のまま噴射するための１流体ノズルである。
例えば、アンモニア噴射ノズル（５４）が２流体ノズルである場合、アンモニア噴射ノズル（５４）の内部では、液体アンモニアと他の気体とが混ざり、液体アンモニアが気化する可能性がある。従って、アンモニア噴射ノズル（５４）の内部でベーパロックが生じ、液体アンモニアの噴射不良が生じる可能性がある。この点、上記（２）の構成によれば、アンモニア噴射ノズル（５４）が１流体ノズルであるので、ベーパロックが抑制され、液体アンモニアが良好に噴射される。また、２流体ノズルから噴射される液体アンモニアに比べて、１流体ノズルから噴射される液体アンモニアの液滴は大きくなる傾向があるが、液体アンモニアは比較的沸点が低いので、火炉（２０）内での燃焼不良は起こりにくい。
（３）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記アンモニア噴射ノズル（５４）は、起動用燃料と前記液体アンモニアを噴射できる両用ノズルである。
上記（３）の構成によれば、起動用燃料とアンモニア燃料の両方を供給可能なノズルを設けることで、混焼率を可変にできるバーナパターンを構築できる。
（４）幾つかの実施形態では、上記（１）から（３）のいずれかの構成において、
前記アンモニアバーナ（５０）は、前記火炉（２０）内で生じる燃焼火炎を保炎するように構成された保炎効果を有する機構（６０）を備える。
難燃性を有する液体アンモニアが燃料として用いられる場合、火炉（２０）内で失火が起こる可能性がある。失火を回避するためには、液体アンモニアは、気化してさらに熱分解する必要がある。この点、上記（４）の構成によれば、保炎効果を有する機構（６０）が燃焼火炎を保炎することで、液体アンモニアは気化及び熱分解するための熱を得ることができるので、火炉（２０）内における失火を抑制することができる。
（５）幾つかの実施形態では、上記（４）の構成において、
前記保炎効果を有する機構（６０）は、
前記アンモニア噴射ノズル（５４）が内側に配置される内筒（６２）と、
前記内筒（６２）を囲むように配置され、前記火炉（２０）の内部と連通する空気流路（６３Ａ）が前記内筒（６２）との間で形成される外筒（６４）と、
前記空気流路（６３Ａ）に設けられ、前記外筒（６３）を流れる空気に旋回力を付与するように構成されたスワラ（６５）と
を備える。
上記（５）の構成によれば、スワラ（６５）は、火炉（２０）に供給される空気に旋回力を付与する。これにより、空気と、アンモニア噴射ノズル（５４）から噴射される液体アンモニアとの混合が促進される。従って、火炉（２０）の内部において液体アンモニアの拡散が促進されるので、火炉（２０）内の液体アンモニアが熱分解し易くなる。
（６）幾つかの実施形態では、上記（１）から（５）のいずれかの構成において、
前記火炉（２０）の内部で生じるガスの流れ方向において前記アンモニアバーナ（５０）よりも上流側に設けられ、炭素含有燃料を燃焼させるように構成された燃料バーナ（３５）を備える。
上記（６）の構成によれば、液体アンモニアよりも燃焼し易い炭素含有燃料を、アンモニアバーナ（５０）よりも上流側で燃料バーナ（３５）は燃焼させる。これにより、火炉（２０）内におけるアンモニアが熱分解するための火炉（２０）内空間は高温に保たれる。よって、液状の液体アンモニアを燃料として噴射するための条件を整えることができる。
（７）本発明の少なくとも一実施形態に係るアンモニア供給システム（１００）は、
上記（１）から（６）のいずれかに記載のアンモニアバーナ（５０）と、
前記液体アンモニアが貯留されるアンモニアタンク（１０１）と、
前記アンモニアタンク（１０１）と前記アンモニアバーナ（５０）とをつなぐ油供給ライン（８２）と、
前記油供給ライン（８２）に設けられたポンプ（１０３）と、
前記油供給ライン（８２）の圧力を調整するための圧力調整弁（１０５）と、
前記油供給ライン（８２）に設けられ、前記アンモニアタンク（１０１）と前記アンモニアバーナ（５０）の連通状態を切り替えるための切替弁（１０７）と、
を備える。
上記（７）の構成によれば、液体アンモニアの比容積がアンモニアガスの比容積に比べて小さいので、アンモニア供給ライン（１０２）を小型化できる。また、液体アンモニアが液状のままアンモニアバーナ（５０）に供給されるので、液体を気化させるための気化器をアンモニア供給ライン（１０２）に設ける必要がない。よって、アンモニア供給システム（１００）の低コスト化が実現する。
以上、本発明の実施形態について説明したが、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形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
本明細書において、「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。
また、本明細書において、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。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「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。
２ ：アンモニア燃料ボイラ
１９ ：火炉壁
２０ ：火炉
３５ ：燃料バーナ
５０ ：アンモニアバーナ
５２ ：アンモニア供給路
５４ ：アンモニア噴射ノズル
６０ ：保炎効果を有する機構
６２ ：内筒
６３Ａ ：空気供給路
６４ ：外筒
６５ ：スワラ
１００ ：アンモニア供給システム
１０１ ：アンモニアタンク
１０２ ：アンモニア供給ライン
１０３ ：ポンプ
１０５ ：圧力調整弁
１０７ ：切替弁

Claims (10)

  1. 火炉壁を含む火炉と、
    前記火炉壁に設けられるアンモニアバーナと
    を備え、
    前記アンモニアバーナは、
    液体アンモニアが供給されるように構成されたアンモニア供給路と、
    前記アンモニア供給路から供給される前記液体アンモニアを液状のまま前記火炉の内部に噴射するように構成されたアンモニア噴射ノズルと
    を含むアンモニア燃料ボイラ。
  2. 前記アンモニア噴射ノズルによって噴射された液状のアンモニアは、前記火炉の内部でアンモニアガスに気化して燃焼する請求項１に記載のアンモニア燃料ボイラ。
  3. 前記アンモニアバーナは、前記アンモニア供給路において液体アンモニアが気化することに起因するベーパロックが抑制される供給圧力で前記液体アンモニアが供給される、請求項２に記載のアンモニア燃料ボイラ。
  4. 前記アンモニア噴射ノズルは、アシスト流体を用いずに前記液体アンモニアを液状のまま噴射するための１流体ノズルである請求項１に記載のアンモニア燃料ボイラ。
  5. 前記アンモニア噴射ノズルは、起動用燃料と前記液体アンモニアを噴射できる両用ノズルである請求項１に記載のアンモニア燃料ボイラ。
  6. 前記アンモニアバーナは、前記火炉内で生じる燃焼火炎を保炎するように構成された保炎効果を有する機構を備える請求項１から５のいずれかに記載のアンモニア燃料ボイラ。
  7. 前記保炎効果を有する機構は、
    前記アンモニア噴射ノズルが内側に配置される内筒と、
    前記内筒を囲むように配置され、前記火炉の内部と連通する空気供給路が前記内筒との間で形成される外筒と、
    前記空気供給路に設けられ、前記空気供給路を流れる空気に旋回力を付与するように構成されたスワラと
    を備える請求項６に記載のアンモニア燃料ボイラ。
  8. 前記火炉の内部で生じるガスの流れ方向において前記アンモニアバーナよりも上流側に設けられ、炭素含有燃料を燃焼させるように構成された燃料バーナを備える請求項１から７のいずれかに記載のアンモニア燃料ボイラ。
  9. 前記アンモニアバーナによる前記液体アンモニアの噴射の開始前に、炭素含有燃料を前記火炉の前記内部に噴射するように構成された燃料バーナであって、前記アンモニアバーナによる前記液体アンモニアの噴射の開始後、前記炭素含有燃料の噴射を停止するように構成される燃料バーナを備える請求項１から８の何れかに記載のアンモニア燃料ボイラ。
  10. 請求項１から８のいずれかに記載のアンモニアバーナと、
    前記液体アンモニアが貯留されるアンモニアタンクと、
    前記アンモニアタンクと前記アンモニアバーナとをつなぐアンモニア供給ラインと、
    前記アンモニア供給ラインに設けられたポンプと、
    前記アンモニア供給ラインの圧力を調整するための圧力調整弁と、
    前記アンモニア供給ラインに設けられ、前記アンモニアタンクと前記アンモニアバーナの連通状態を切り替えるための切替弁と
    を備えるアンモニア供給システム。
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