JP7491483B1

JP7491483B1 - 燃焼システム

Info

Publication number: JP7491483B1
Application number: JP2023560612A
Authority: JP
Inventors: 原栄崔; 俊郎藤森
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2022-07-05
Filing date: 2023-04-06
Publication date: 2024-05-28
Anticipated expiration: 2043-04-06
Also published as: WO2024009575A1; JPWO2024009575A1

Abstract

燃焼システム１００は、熱媒体によって液体アンモニアを加熱する気化器２と、気化器２に接続され、気化器２からのアンモニアを含む燃料を燃焼するボイラ３と、ボイラ３に接続された煙道Ｌ４に配置され、ボイラ３からの排ガスを誘導する誘引通風機６と、煙道Ｌ４において誘引通風機６の上流に配置される熱交換器４と、を備える。熱交換器４は、熱媒体が流れる循環流路Ｌ５によって、気化器２に循環的に接続される。熱交換器４は、液体アンモニアから冷熱エネルギを受け取った熱媒体によって、煙道Ｌ４を流れる排ガスを冷却する。

Description

本開示は、燃焼システムに関する。本出願は２０２２年７月５日に提出された日本特許出願第２０２２－１０８３４２号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。

アンモニアは、ＣＯ_２を放出しない燃料として知られている。例えば、特許文献１，２は、アンモニアを燃料として使用する設備を開示する。これらの文献では、アンモニアは、液体状態で貯蔵される。液体アンモニアは、燃焼される前に気化され、気体状態で燃焼される。これらの文献では、アンモニアを気化するために、燃焼後の排熱が使用される。

特開２０２０－１３９６３８号公報特開２０１９－１９６８８２号公報

上記のような燃焼システムでは、エネルギ効率をさらに向上することが望まれている。

本開示は、エネルギ効率を向上することができる燃焼システムを提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る燃焼システムは、熱媒体によって液体アンモニアを加熱する気化器と、気化器に接続され、気化器からのアンモニアを含む燃料を燃焼するボイラと、ボイラに接続された煙道に配置され、ボイラからの排ガスを誘導する誘引通風機と、煙道において誘引通風機の上流に配置される熱交換器であって、当該熱交換器は、熱媒体が流れる循環流路によって、気化器に循環的に接続され、当該熱交換器は、液体アンモニアから冷熱エネルギを受け取った熱媒体によって、煙道を流れる排ガスを冷却する、熱交換器と、冷却された排ガスから凝縮水を回収する回収器と、を備え、熱交換器は、ボイラに接続され、回収器は、熱交換器に設けられる。

回収器は、ボイラに接続されてもよく、凝縮水を補給水としてボイラに供給してもよい。

燃焼システムは、煙道において熱交換器と誘引通風機との間に配置され、排ガスの温度を測定する第１センサ、および、煙道において熱交換器と前記誘引通風機との間に配置され、排ガスの流量を測定する第２センサ、の少なくとも一方と、第１センサおよび第２センサの少なくとも一方からの測定値に基づいて、熱媒体の流量を調整する制御装置と、を備えてもよい。
また、燃焼システムは、アンモニアの流量を測定する第３センサを備えてもよく、制御装置は、第３センサからの測定値に基づいて、熱媒体の流量を調整してもよい。

本開示によれば、エネルギ効率を向上することができる。

図１は、実施形態に係る燃焼システムを示す概略図である。図２は、温度と飽和水蒸気圧との関係を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す具体的な寸法、材料および数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、実施形態に係る燃焼システム１００を示す概略図である。以下、燃焼システム１００は、単に「システム」とも称され得る。例えば、システム１００は、タンク１と、気化器（ＥＶＡ）２と、ボイラ３と、熱交換器（ＨＥＸ）４と、電気集じん機（ＥＳＰ）５と、誘引通風機（ＩＤＦ）６と、煙突７と、回収器８と、蒸気タービン５０と、発電機６０と、制御装置９０と、を備える。システム１００の構成要素はこれらに限定されず、システム１００は、その他の構成要素をさらに備えてもよい。また、システム１００は、上記の構成要素のうちの少なくとも１つを含んでなくともよい。

タンク（アンモニア供給源）１は、液体アンモニアを気化器２に供給する。タンク１は、液体アンモニアを貯蔵する。タンク１は、流路Ｌ１によって気化器２に接続される。タンク１内の液体アンモニアは、流路Ｌ１を介して気化器２に供給される。例えば、流路Ｌ１には、液体アンモニアを送るためのポンプＰ１が設けられる。ポンプＰ１は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続されてもよく、制御装置９０は、ポンプＰ１の動作を制御してもよい。

気化器２は、熱交換器４によって加熱される後述の熱媒体によって、タンク１からの液体アンモニアを加熱する。加熱された液体アンモニアは、気体アンモニアへと気化する。別の観点では、熱媒体は、気化器２において、液体アンモニアによって冷却され、液体アンモニアから冷熱エネルギを受け取る。気化器２は、流路Ｌ２によってボイラ３に接続される。

ボイラ３は、気化器２からの気体アンモニアを含む燃料を燃焼する燃焼器３１を含む。例えば、燃焼器３１は、アンモニアと、例えば微粉炭等の他の燃料と、を含む混合燃料を燃焼してもよい。また、例えば、燃焼器３１は、アンモニアのみを燃焼してもよい。また、例えば、燃焼器３１は、必要に応じて、アンモニア以外の他の燃料のみを燃焼してもよい。ボイラ３は、燃焼による熱によって水を加熱し、水蒸気を生成する。燃焼器３１では、燃焼によって排ガスが発生する。

蒸気タービン５０は、流路Ｌ３によってボイラ３に接続される。ボイラ３で生成された水蒸気は、流路Ｌ３を介して蒸気タービン５０に供給される。蒸気タービン５０は、ボイラ３からの水蒸気によって回転させられる。発電機６０は、蒸気タービン５０と共に回転し、発電する。

本実施形態では、ボイラ３と煙突７とを結ぶ煙道Ｌ４に、熱交換器４、電気集じん機５および誘引通風機６が、ボイラ３からこの順番で配置される。システム１００は、煙道Ｌ４に不図示の他の設備をさらに備えてもよい。煙道Ｌ４には、ボイラ３から煙突７に向かって、ボイラ３で発生した排ガスが流れる。

熱交換器４は、煙道Ｌ４において、ボイラ３の下流に配置され、ボイラ３に接続される。また、熱交換器４は、循環流路Ｌ５によって、気化器２と循環的に接続される。循環流路Ｌ５には、熱媒体が流れる。熱交換器４は、気化器２において液体アンモニアから冷熱エネルギを受け取った熱媒体によって、煙道Ｌ４を流れる排ガスを冷却する。これによって、排ガス中の水蒸気の一部が、水へと凝縮される。別の観点では、熱媒体は、熱交換器４において、排ガスによって加熱される。

煙道Ｌ４を流れる排ガス中の水蒸気の量に関して、アンモニアの燃焼反応式は、２ＮＨ_３＋１．５Ｏ_２→Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏで示される。当量比が１の場合、２分子のアンモニアから３分子の水が生成される。したがって、ボイラ３がアンモニアのみを燃焼する場合、体積比において、排ガスの７０％超が水蒸気となり得る。例えば、ボイラ３が微粉炭のみを燃焼する場合には、排ガスの１０～２０％程度が水蒸気となり得る。

このように、ボイラ３がアンモニアを含む燃料を燃焼する場合には、煙道Ｌ４を流れる排ガスは、より多くの水蒸気を含む。しかしながら、本実施形態では、排ガスは、熱交換器４において熱媒体によって冷却され、排ガス中の水蒸気の一部が水へと凝縮される。したがって、排ガスがより多くの水蒸気を含む場合にも、排ガス中の水蒸気を熱交換器４において低減することができる。

循環流路Ｌ５を流れる熱媒体は、例えば、ブラインであってもよい。例えば、ブラインは、塩化ナトリウムまたは塩化カルシウム等を含む水溶液であってもよい。熱媒体はこれに限定されず、その他の流体が使用されてもよい。例えば、熱媒体は、液体アンモニアの沸点よりも低い凝固点を有する流体であってもよい。

熱交換器４には、回収器８が設けられる。回収器８は、熱交換器４において、熱媒体によって冷却された排ガスから凝縮水を回収する。例えば、回収器８は、熱交換器４の底部に接続されるタンクまたはピットであってもよい。例えば、回収器８は、排ガスから熱交換器４の底部に落下する凝縮水を回収してもよい。回収器８が設けられる位置はこれに限定されず、回収器８は、煙道Ｌ４において、熱交換器４よりも下流の位置、例えば、熱交換器４と誘引通風機６との間の位置に設けられてもよい。

回収器８は、流路Ｌ６によってボイラ３に接続される。回収器８で回収された凝縮水は、流路Ｌ６を介して、補給水としてボイラ３に供給される。したがって、アンモニアの燃焼によって生じる水を、ボイラ３において再利用することができる。例えば、流路Ｌ６には、凝縮水を送るためのポンプＰ２が設けられる。ポンプＰ２は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続されてもよく、制御装置９０は、ポンプＰ２の動作を制御してもよい。また、流路Ｌ６には、凝縮水を浄化するための不図示のフィルタ、例えば逆浸透膜（ＲＯ）等が設けられてもよい。代替的にまたは追加的に、回収器８は、システム１００中の不図示の他の設備に接続されてもよく、凝縮水は、これらにおいて工業用水として再利用されてもよい。また、例えば、凝縮水は、冷却塔において噴射用の水として再利用されてもよい。また、例えば、凝縮水は、浄化された後に農業用水または飲料用水として再利用されてもよい。

電気集じん機５は、煙道Ｌ４において、熱交換器４の下流に配置され、熱交換器４に接続される。電気集じん機５は、排ガスから粒子（煤塵）を除去する。具体的には、電気集じん機５は、放電極と集じん極との間に高電圧をかけ、コロナ放電を生成する。コロナ放電によって、イオンが発生する。イオンによって帯電した排ガス中の粒子は、静電気引力によって集じん極へ引き付けられる。集じん極へ集められた粒子は、除去される。

誘引通風機６は、煙道Ｌ４において、電気集じん機５の下流に配置され、電気集じん機５に接続される。誘引通風機６は、ボイラ３からの排ガスを煙突７に誘導する。誘引通風機６は、ボイラ３を負圧に維持する。誘引通風機６では、排ガスが加圧される。

上記のように、ボイラ３がアンモニアを含む燃料を燃焼する場合には、煙道Ｌ４を流れる排ガスは、より多くの水蒸気を含む。水蒸気をより多く含む排ガスが誘引通風機６に流入する場合、誘引通風機６の負荷が増える。しかしながら、本実施形態では、熱交換器４において、排ガス中の水蒸気の一部は水へと凝縮され、排ガス中の水蒸気は低減される。したがって、ボイラ３がアンモニアを含む燃料を燃焼する場合にも、誘引通風機６の負荷の増加を抑えることができる。よって、システム１００がアンモニアを燃料として使用する場合に、エネルギ効率を向上することができる。

また、本実施形態では、排ガスは、熱交換器４において熱媒体によって冷却されるので、煙道Ｌ４を流れる排ガスの体積が減少する。したがって、誘引通風機６に流入する排ガスの体積が減少する。このことも、誘引通風機６の負荷を低減することができる。また、排ガスの体積の減少に伴って、ボイラ３が負圧に維持され易くなる。

煙突７は、煙道Ｌ４において、誘引通風機６の下流に配置され、誘引通風機６に接続される。煙突７は、排ガスを外部に放出する。

循環流路Ｌ５には、熱媒体を循環させるためのポンプＰ３が設けられる。ポンプＰ３は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続される。制御装置９０は、ポンプＰ３の動作を制御する。

循環流路Ｌ５には、バルブＶ１が設けられる。例えば、バルブＶ１は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続される。制御装置９０は、バルブＶ１の開度を制御することによって、循環流路Ｌ５を流れる熱媒体の流量を調整する。

システム１００は、煙道Ｌ４に温度センサＳ１を備える。温度センサＳ１は、熱交換器４から流れ出る排ガスの温度を測定するように配置される。例えば、温度センサＳ１は、煙道Ｌ４において、熱交換器４の下流の位置に配置される。しかしながら、温度センサＳ１の位置はこれに限定されず、温度センサＳ１は、他の位置に配置されてもよい。

システム１００は、煙道Ｌ４に流量センサＳ２を備える。流量センサＳ２は、煙道Ｌ４を流れる排ガスの流量を測定するように配置される。例えば、流量センサＳ２は、煙道Ｌ４において、熱交換器４の下流の位置に配置される。しかしながら、流量センサＳ２の位置はこれに限定されず、流量センサＳ２は、他の位置に配置されてもよい。

システム１００は、流路Ｌ１に流量センサＳ３を備える。流量センサＳ３は、タンク１から気化器２に送られる液体アンモニアの流量を測定するように配置される。例えば、流量センサＳ３は、流路Ｌ１において、気化器２の上流かつポンプＰ１の上流の位置に配置される。しかしながら、流量センサＳ３の位置はこれに限定されず、流量センサＳ３は、他の位置に配置されてもよい。

温度センサＳ１および流量センサＳ２，Ｓ３は、制御装置９０と有線または無線で通信可能に接続され、測定されたデータを制御装置９０に送信する。他の実施形態では、システム１００は、他のセンサをさらに備えてもよい。また、他の実施形態では、システム１００は、温度センサＳ１および流量センサＳ２，Ｓ３のうちの少なくとも１つを備えなくてもよい。

制御装置９０は、システム１００の全体または一部を制御する。例えば、制御装置９０は、１つまたは複数のコンピュータを含んでもよい。例えば、本開示で説明される制御装置９０の動作は、１つのコンピュータによって実行されてもよく、または、複数のコンピュータによって分けて実行されてもよい。制御装置９０は、例えば、プロセッサ９０ａ、記憶装置９０ｂおよびコネクタ９０ｃ等の構成要素を含み、これらの構成要素はバスを介して互いに接続される。例えば、プロセッサ９０ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を含む。例えば、記憶装置９０ｂは、ハードディスク、プログラム等が格納されるＲＯＭ、および、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む。制御装置９０は、コネクタ９０ｃを介して、システム１００の構成要素と有線でまたは無線で通信可能に接続される。例えば、制御装置９０は、液晶ディスプレイまたはタッチパネル等の表示装置、および、キーボード、ボタンまたはタッチパネル等の入力装置等、他の構成要素を更に含んでもよい。例えば、本開示で説明される制御装置９０の動作は、記憶装置９０ｂに記憶されるプログラムをプロセッサ９０ａに実行することによって、実現されてもよい。

続いて、制御装置９０の動作について説明する。

図２は、温度と飽和水蒸気圧との関係を示すグラフである。図２において、横軸は温度を示し、縦軸は飽和水蒸気圧を示す。

１気圧は、約１０００ｈＰａである。例えば、１気圧下において、排ガス中の水蒸気の濃度を２０％未満に制御する場合、飽和水蒸気圧を、約２００ｈＰａ未満に調整する必要がある（２００ｈＰａ＝１０００ｈＰａ×０．２）。図２に示されるように、排ガスの温度を約６０℃未満に制御することによって、飽和水蒸気圧を約２００ｈＰａ未満に調整することができる。したがって、例えば上記の条件では、制御装置９０は、排ガスの温度の閾値として、６０℃を記憶装置９０ｂに記憶してもよい。閾値は６０℃に限定されず、例えば誘引通風機６の性能等の様々な要因に応じて変化し得る。

図１を参照して、制御装置９０のプロセッサ９０ａは、温度センサＳ１から受信する排ガスの温度が、上記の閾値未満になるように、システム１００を制御する。例えば、プロセッサ９０ａは、温度センサＳ１から受信する排ガスの温度が閾値未満になるように、バルブＶ１を制御して、循環流路Ｌ５を流れる熱媒体の流量を調整する。例えば、温度センサＳ１から受信する排ガスの温度が増加すると、プロセッサ９０ａは、熱媒体の流量を増やすようにバルブＶ１を制御してもよい。反対に、温度センサＳ１から受信する排ガスの温度が低下すると、プロセッサ９０ａは、熱媒体の流量を減らすようにバルブＶ１を制御してもよい。

代替的にまたは追加的に、プロセッサ９０ａは、熱媒体の流量を、排ガスの温度以外のパラメータに基づいて調整してもよい。

例えば、プロセッサ９０ａは、流量センサＳ２から受信する排ガスの流量に基づいて、熱媒体の流量を調整してもよい。例えば、流量センサＳ２から受信する排ガスの流量が増加すると、プロセッサ９０ａは、熱媒体の流量を増やすようにバルブＶ１を制御してもよい。反対に、流量センサＳ２から受信する排ガスの流量が低下すると、プロセッサ９０ａは、熱媒体の流量を減らすようにバルブＶ１を制御してもよい。

また、例えば、プロセッサ９０ａは、流量センサＳ３から受信する液体アンモニアの流量に基づいて、熱媒体の流量を調整してもよい。例えば、流量センサＳ３から受信する液体アンモニアの流量が増加すると、プロセッサ９０ａは、熱媒体の流量を増やすようにバルブＶ１を制御してもよい。反対に、流量センサＳ３から受信する液体アンモニアの流量が低下すると、プロセッサ９０ａは、熱媒体の流量を減らすようにバルブＶ１を制御してもよい。

以上のようなシステム１００は、熱媒体によって液体アンモニアを加熱する気化器２と、気化器２に接続され、気化器２からのアンモニアを含む燃料を燃焼するボイラ３と、ボイラ３に接続された煙道Ｌ４に配置され、ボイラ３からの排ガスを誘導する誘引通風機６と、煙道Ｌ４において誘引通風機６の上流に配置される熱交換器４と、を備える。熱交換器４は、熱媒体が流れる循環流路Ｌ５によって、気化器２に循環的に接続される。熱交換器４は、液体アンモニアから冷熱エネルギを受け取った熱媒体によって、煙道Ｌ４を流れる排ガスを冷却する。上記のように、ボイラ３がアンモニアを含む燃料を燃焼する場合、排ガスはより多くの水蒸気を含む。しかしながら、この構成によれば、排ガスがより多くの水蒸気を含む場合にも、熱交換器４において、排ガス中の水蒸気を低減することができる。したがって、誘引通風機６の負荷の増加を抑えることができる。また、排ガスから得られる熱を液体アンモニアの気化に使用することができる。よって、システム１００がアンモニアを燃料として使用する場合に、エネルギ効率を向上することができる。

また、システム１００は、冷却された排ガスから凝縮水を回収する回収器８を備える。このような構成によれば、凝縮水を再利用のために貯留することができる。

また、システム１００では、回収器８は、ボイラ３に接続され、凝縮水を補給水としてボイラ３に供給する。このような構成によれば、ボイラ３の補給水として、システム１００に新たに追加される水の量を低減することができる。

また、システム１００は、排ガスの温度、排ガスの流量、および、アンモニアの流量の少なくとも１つに基づいて、熱媒体の流量を調整する制御装置９０を備える。このような構成によれば、システム１００の運転状況に応じて、熱媒体の流量を適切に調整することができる。

以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記の実施形態では、システム１００は、煙道Ｌ４に電気集じん機５を備える。他の実施形態では、システム１００は、電気集じん機５を備えなくてもよい。

本開示は、ＣＯ_２放出の削減につながるアンモニアの使用を促進することができるので、例えば、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標７「手ごろで信頼でき、持続可能かつ近代的なエネルギへのアクセスを確保する」および目標１３「気候変動とその影響に立ち向かうため、緊急対策を取る」に貢献することができる。

２気化器
３ボイラ
４熱交換器
６誘引通風機
８回収器
９０制御装置
１００燃焼システム
Ｌ４煙道
Ｌ５循環流路

Claims

熱媒体によって液体アンモニアを加熱する気化器と、
前記気化器に接続され、前記気化器からのアンモニアを含む燃料を燃焼するボイラと、
前記ボイラに接続された煙道に配置され、前記ボイラからの排ガスを誘導する誘引通風機と、
前記煙道において前記誘引通風機の上流に配置される熱交換器であって、
当該熱交換器は、前記熱媒体が流れる循環流路によって、前記気化器に循環的に接続され、
当該熱交換器は、前記液体アンモニアから冷熱エネルギを受け取った前記熱媒体によって、前記煙道を流れる前記排ガスを冷却する、
熱交換器と、
前記冷却された排ガスから凝縮水を回収する回収器と、
を備え、
前記熱交換器は、前記ボイラに接続され、
前記回収器は、前記熱交換器に設けられる、
燃焼システム。
前記回収器は、前記ボイラに接続され、前記凝縮水を補給水として前記ボイラに供給する、請求項１に記載の燃焼システム。
前記煙道において前記熱交換器と前記誘引通風機との間に配置され、前記排ガスの温度を測定する第１センサ、および、前記煙道において前記熱交換器と前記誘引通風機との間に配置され、前記排ガスの流量を測定する第２センサ、の少なくとも一方と、
前記第１センサおよび前記第２センサの前記少なくとも一方からの測定値に基づいて、前記熱媒体の流量を調整する制御装置と、
を備える、請求項１または２に記載の燃焼システム。
前記アンモニアの流量を測定する第３センサと、
前記第３センサからの測定値に基づいて、前記熱媒体の流量を調整する制御装置と、
を備える、請求項１または２に記載の燃焼システム。
前記アンモニアの流量を測定する第３センサを備え、
前記制御装置は、前記第３センサからの測定値に基づいて、前記熱媒体の流量を調整する、
請求項３に記載の燃焼システム。