JP5327686B1

JP5327686B1 - 次世代カーボンフリーボイラ、その運転方法及び次世代カーボンフリーボイラにおける水素リッチアンモニアの製造方法並びに次世代カーボンフリーボイラ、その運転方法及び次世代カーボンフリーボイラにおける水素リッチアンモニアの製造方法に利用する尿素水

Info

Publication number: JP5327686B1
Application number: JP2012147775A
Authority: JP
Inventors: 武史畑中
Original assignee: 武史畑中
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: JP2013257124A

Abstract

【課題】安全性や信頼性が高く、しかも地球環境に優しい新しいエネルギー資源を利用した次世代カーボンフリーボイラ、その運転方法及び水素リッチアンモニアの製造方法。
【解決手段】燃焼室２０ａを有するボイラ本体１２と、前記燃焼室に火炎による燃焼ガスを発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４と、尿素水を供給する尿素水供給源６１と、前記尿素水供給源に接続されて前記燃焼ガスの流路に設置され、前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱されて前記尿素水を加水分解することによりアンモニアを生成するとともに前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記アンモニアの一部を分解して水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクタ４０と、前記アンモニアの残部と前記水素リッチガスとの混合ガスからなる水素リッチアンモニアを前記水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給する水素リッチアンモニア供給ライン６７とを備えた。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

この発明はボイラ及びその運転方法に関し、特に、地球環境に優しい新しいエネルギー資源を利用したボイラ及びその運転方法に関する。

従来技術

従来、ボイラは火力発電所用ボイラ、大型船舶用ボイラ、大型ホテル・ビル等の地域冷暖房用ボイラ、各種工場の生産ライン用の大型ボイラとして、さらには、暖房・給湯用ボイラ等の小型ボイラとして各種施設に広く利用されている。ボイラには灯油、重油等の液体燃料やＣＮＧ，ＬＰＧ等の気体燃料からなる化石燃料が主として使用されており、ＣＯ_２排出による地球温暖化や窒素酸化物（ＮＯｘ）排出による大気汚染等の環境破壊が深刻な環境問題となり、その対策が急務となっている。その中で、低炭素化社会に向けたアンモニアや水素が非化石燃料として期待されている。

特許文献１には、液体アンモニアリサーバから供給された液体アンモニアを熱交換器で予熱した後、アンモニア加熱器で再加熱し、次いで、燃料油タンクからの燃料油（化石燃科）と混合してアンモニアと燃料油からなるエマルジョン燃料を生成してボイラやエンジンに供給するようにした燃料供給システムが提案されている。

特許文献２には、水分解ガス発生装置をボイラ本体に設置し、水を分解して得た水素ガスと酸素ガスとをボイラ本体内の水中に吹き込んで気体塊を形成し、その気体塊内に水をスプレーしながら、気体塊内にて火花を連続的に発生させることにより効率的に蒸気を発生させるようにして燃料コスト低減を図った環境に優しいボイラ装置が提案されている。

米国公開特許公報２０１０／０２８８２２１号日本国特許第４００２３５０号

ところで、特許文献１に開示された燃料供給システムでは、液体アンモニアリサーバに貯蔵した液体アンモニアを燃料の一部として利用している。アンモニア自体は天然ガスと二酸化炭素を原料として生産され、燃焼時には水と窒素のみが排出されるため、地球環境に優しいエネルギー源として、近年、最も注目されている。しかし、液体アンモニアは火災・爆発の危険性が高い上に人体に有毒であり、しかも金属腐食性が高い。そのため、液体アンモニアの使用には関連部品の耐久性の維持が困難であり、燃料供給システムの安全性や信頼性に大きな課題が残っていた。さらに、アンモニアは難燃性で燃焼速度も遅いため、未燃アンモニアが排出されやすい。その解決策として、アンモニアを燃料油と混合して得たエマルジョン燃料を燃焼させるようにしていたため、化石燃料への依存度を下げて地球環境保全に貢献させることができなかった。

特許文献２に開示されたボイラ装置において、水分解ガス発生装置では、攪拌槽に水素化ニッケル（ＮｉＨ２）が添加された水（Ｈ_２Ｏ）が貯留されていて攪拌羽根によって攪拌される。攪拌槽から取り出した水は加熱手段によって加熱されて高温水となり、連続液体供給型遠心分離機の処理槽に送られ、高速回転モータの回転によって水分子の水素原子と酸素原子の結合を解離させる構造となっている。このボイラ装置は、第１に、極めて高価な水素化ニッケルを大量に消耗し、第２に、高速回転モータの電力消費が大きい、第３に、部品点数が多いため、装置が複雑化すると共に生産コストが上昇する。特に、高価な水素化ニッケルの大量使用により、ボイラ装置のランニングコストが大幅に上昇する。したがって、このようなボイラ装置を広く普及させて温暖化ガス排出抑制に利用することが困難となっていた。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、安全性や信頼性が高く、しかも、地球環境に優しい新しいエネルギー資源を利用した次世代カーボンフリーボイラ、その運転方法及び次世代カーボンフリーボイラにおける水素リッチアンモニアの製造方法並びに次世代カーボンフリーボイラ、その運転方法及び次世代カーボンフリーボイラにおける水素リッチアンモニアの製造方法に利用する尿素水を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、次世代カーボンフリーボイラが、燃焼室を有するボイラ本体と、前記燃焼室に火炎による燃焼ガスを発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナと、尿素水を供給する尿素水供給源と、前記尿素水供給源に接続されて前記燃焼ガスの流路に設置され、前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水を加水分解することにより高温アンモニアガスを生成するとともに前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記アンモニアの一部を分解して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクタとを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクタが、前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を分解して前記高温水素リッチガスを生成するアンモニア分解部とを備え、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスからなる高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを前記水素リッチアンモニア燃焼バーナで燃焼させて蒸気を生成することを要旨とする。

請求項２に記載された発明によれば、請求項１記載の構成に加え、前記加水分解部が、前記伝熱部材に配置されていて複数の乱流発生通路を形成する複数の固形状伝熱体を備えることを要旨とする。

請求項３に記載された発明によれば、請求項１又は２記載の構成に加え、前記ボイラ本体で生成された蒸気を導入する蒸気抽出管と、前記蒸気抽出管と前記水素リッチアンモニア生成リアクタとの間に設置されたパージガス供給ラインと、前記パージガス供給ラインに設置されたパージガス供給制御弁とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクタへの前記尿素水の供給が遮断されたときに前記パージガス供給制御弁が前記蒸気抽出管から前記蒸気の一部をパージガスとして前記水素リッチアンモニア生成リアクタに導入することで前記水素リッチアンモニア生成リアクタに残留する未反応尿素と残留ガスとを排出することを要旨とする。

請求項４に記載された発明によれば、次世代カーボンフリーボイラの運転方法では、火炎による燃焼ガスを発生させるための水素リッチアンモニア燃焼バーナをボイラ本体の燃焼室に設置し、前記燃焼ガスの流路に水素リッチアンモニア生成リアクタを設置して前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記水素リッチアンモニア生成リアクタを加熱し、前記水素リッチアンモニア生成リアクタに尿素水を供給して加水分解することにより高温アンモニアガスを生成し、前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を分解して窒素と水素からなる高温水素リッチガスを生成し、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスからなる高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを前記水素リッチアンモニア燃焼バーナで燃焼させて蒸気を生成し、前記水素リッチアンモニア生成リアクタへの前記尿素水の供給が遮断されたときに前記蒸気の一部をパージガスとして前記水素リッチアンモニア生成リアクタに導入しで前記水素リッチアンモニア生成リアクタに残留する未反応尿素と残留ガスとを排出することを要旨とする。

請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜３のいずれかに記載の次世代カーボンフリーボイラおよび請求項４記載の次世代カーボンフリーボイラの運転方法に利用される尿素水であって、前記尿素水が、尿素と、水と、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液とを含むことを要旨とする。

請求項１記載の構成において、次世代カーボンフリーボイラでは、水素リッチアンモニア燃焼バーナによって生成された火炎による燃焼ガスの流路に前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される水素リッチアンモニア生成リアクタを設置した構造を採用し、取り扱い上危険な液体アンモニアの使用に代えて、安全で取り扱いの容易な尿素水の利用を可能にしている。前記水素リッチアンモニア生成リアクタが前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材を備え、前記伝熱部材に加水分解部とアンモニア分解部とが配置される。したがって、水素リッチアンモニア生成リアクタの部品点数を大幅に削減して水素リッチアンモニア生成リアクタの小型高性能化と高信頼性を達成することが可能となり、水素リッチアンモニア生成リアクタの低コスト化も可能となる。水素リッチアンモニア生成リアクタは燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱されて尿素水を加水分解することにより、高温アンモニアガスを効率的に生成する。高温アンモニアガスの一部は水素と窒素に転化されて高温水素リッチガスが得られる。高温アンモニアガスの残部と高温水素リッチガスとの高温混合ガス（以下、「高温水素リッチアンモニア」と称する）が水素リッチアンモニア燃焼バーナに供給される。水素リッチアンモニアは高温のガス状態となっているため、燃焼用空気と均一混合気を生成して完全燃焼を促進し、未燃アンモニアを外部に排出しないようにして安全性を確保する。ボイラの外部には、何等、危険性の高いアンモニアリサーバやアンモニアを流通させるための複数の熱交換器及び複数の配管を不要とし、人体に有害な液体アンモニアを直接、取り扱う必要がなく、安全性と信頼性を大幅に向上させることができる。このように、本発明の次世代カーボンフリーボイラでは高温水素リッチアンモニアの使用によって化石燃料の使用量を大幅に削減することが可能となる。したがって、化石燃料への依存度を大幅に抑制して、低炭素化社会の実現並びに地球環境保全に貢献する。しかも、尿素水の原料となる尿素自体はどこでも極めて低コストで調達可能であり、極めて低いランニングコストで運転可能な次世代カーボンフリーボイラを実現させることができる。

請求項２記載の構成では、前記加水分解部が前記伝熱部材に配置されていて複数の乱流発生通路を形成する複数の固形状伝熱体を備えるため、前記加水分解部の伝熱面積が拡大して尿素水との接触面積が飛躍的に増大する。また、複数の固形状伝熱体により形成された複数の乱流発生通路において、尿素水の気化ガスは前記乱流発生通路を通過しながら複数の固形状伝熱体と衝突を繰り返すことになり、前記尿素水の滞留時間が飛躍的に拡大する。このため、尿素水の加水分解効率を飛躍的に向上させ、高温アンモニガスの一部から高温水素リッチガスを効率よく生成することができる。

請求項３記載の構成では、ボイラ水を加熱して蒸気を発生するボイラ本体と水素リッチアンモニア生成リアクタとの間に接続された蒸気抽出管に蒸気供給制御弁を設置している。そのため、水素リッチアンモニア生成リアクタへの尿素水の供給が遮断された際に、ボイラで発生した蒸気をパージガスとして水素リッチアンモニア生成リアクタに導入して水素リッチアンモニア生成リアクタに残留する未反応尿素と残留ガスとを排出させている。そのため、ボイラの運転停止時に、未反応尿素の析出による前記水素リッチアンモニア生成リアクタの閉塞を回避し、腐食性が高く、しかも、可燃性の残留ガスがボイラ内部に残留することによる構成部品の劣化を防止する構造となっている。このため、ボイラの安全性と耐久性を飛躍的に向上させることができる。また、水素リッチアンモニア生成リアクタはボイラの運転停止時に常に清浄な状態に維持されるため、ボイラの起動や運転再開が円滑に行われ、その分信頼性も向上する。

請求項４の特徴では、次世代カーボンフリーボイラの運転方法において、燃焼室で発生した燃焼ガスの流路に水素リッチアンモニア生成リアクタを設置し、前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記水素リッチアンモニア生成リアクタを加熱している。そのため、前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を利用して、前記尿素水を効率的に加水分解して高温アンモニアガスを効率的に生成することが可能となる。さらに、前記水素リッチアンモニア生成リアクタへの前記尿素水の供給が遮断された際に、ボイラで発生した蒸気をパージガスとして前記水素リッチアンモニア生成リアクタに導入することで前記水素リッチアンモニア生成リアクタに残留する未反応尿素と残留ガスとを排出させている。そのため、ボイラの運転停止時に、未反応尿素の結晶による水素リッチアンモニア生成リアクタの閉塞を回避でき、また、腐食性が高く、しかも、可燃性の残留ガスがボイラ内部に残留することによる信頼性の低下や構成部品における耐久性の劣化を回避することができる。このため、水素リッチアンモニア生成リアクタは常に清浄な状態に維持されて、ボイラの起動や運転が円滑に行われ、その分信頼性も向上する。

請求項５記載の特徴によれば、尿素水が、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液を添加した水溶液であるため、加水分解部がボイラ本体内で、例えば、８００℃以上の高温の燃焼ガスで加熱された際に、アルカリ触媒の存在下で尿素を効率よく加水分解してアンモニア生成効率が増大する。燃焼ガスの熱エネルギーの一部により尿素水が加熱されると、アルカリ触媒の存在下で、▲１▼式のように、熱分解する。熱分解により生成したイソシアン酸（ＨＮＣＯ）は、水蒸気と反応して加水分解し▲２▼式のようにＮＨ_３とＣＯ_２に転化する。４００℃以上の高温では、イソシアン酸がＨ_２Ｏと反応し▲３▼式のようにＮＨ_３とＣＯ_２に加水分解される。なお、アンモニアの一部はアンモニア分解触媒の存在下で▲４▼式のように３Ｈ_２とＮ_２に転化され水素リッチアンモニアの一部となる。

水素リッチアンモニアは、次世代カーボンフリーボイラの運転中に、燃焼ガスの熱エネルギーの一部を利用してオンデマンドで生成されるため、従来のボイラの如く、化石燃料に１００％依存する必要はない。本発明では、化石燃料に対する水素リッチアンモニアの使用比率を大幅に増加させることが可能となり、原油高騰によるランニングコストの上昇を回避することができ、また、地球環境対策にも貢献可能となる。

本発明の第１実施例による次世代カーボンフリーボイラの縦断正面図。図１に示した第１実施例による次世代カーボンフリーボイラにおけるスイソリッチアンモニア生成リアクタの一部拡大図。本発明の第２実施例による次世代カーボンフリーボイラの縦断正面図。

以下、本発明の第１実施例による次世代カーボンフリーボイラを炉筒煙管ボイラに適用したものとして説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１に示すように、次世代カーボンフリーボイラ１０は、ボイラ本体１２を備え、ボイラ本体１２が水平方向に基台１３上に設置される。ボイラ本体１２は前面壁部１４ａと背面壁部１４ｂにより密閉された円筒状ハウジング１４を備える。円筒状ハウジング１４の内側には前面壁部１４ａから間隔をおいてフロント垂直壁部１６が設置され、背面壁部１４ｂの内側にはリヤ垂直壁部１８が配置される。円筒状ハウジング１４の下方領域には、フロント垂直壁部１６とリヤ垂直壁部１８との間には、燃焼室２０ａを形成する円筒状炉筒２０が水平方向に延びるように配置される。

円筒状炉筒２０の前部はフロント垂直壁部１６により閉塞され、後方端部は開放されている。円筒状炉筒２０の前部には円筒状の水素リッチアンモニア燃焼バーナカバー２２が水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４を覆うように取り付けられる。水素リッチアンモニア燃焼バーナカバー２２は円筒状ハウジング１４の前面壁部１４ａから前方に突出するように延びている。水素リッチアンモニア燃焼バーナカバー２２の内部には、空気案内路２６を介してブロワー２８に連通する空気噴出し部３０が水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４を囲むように配置される。水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４は三方切替流量制御弁ＦＣＶを介して化石燃料供給タンク２５と、後述の水素リッチアンモニア生成リアクタ４０とに接続され、水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４に供給される化石燃料と水素リッチアンモニアの流量がサーボモータ制御の三方切替流量制御弁ＦＣＶによって制御される。円筒状ハウジング１４の底部付近には給水管３２が連結され、円筒状ハウジング１４の側周壁における最上部には、ボイラ本体１２内で生成された蒸気を抽出する蒸気抽出管３４が設けられている。

円筒状ハウジング１４の内側には、背面壁部１４ｂとリヤ垂直壁部１８との間に水素リッチアンモニア生成リアクタ４０を収納する上流側煙室４１が形成され、前面壁部１４ａとフロント垂直壁部１６との間に下流側煙室４２が形成されている。円筒状炉筒２０の上方には、フロント垂直壁部１６とリヤ垂直壁部１８との間において、複数の煙管４４が互いに対して均等間隔で水平方向に延びていて、上流側煙室４０と下流側煙室４２との間で連通している。これら煙管４４の後方端部は上流側煙室４０に開口し、煙管４４の後方端部は下流側煙室４２に開口している。下流側煙室４２の上方には燃焼排ガスＥＧを外部に排出する煙突４６が連結されている。

図１において、水素リッチアンモニア生成リアクタ４０は、水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４で発生する火炎ＦＬＭにより生ずる燃焼ガスＣＧの流路に設置される。リヤ垂直壁部１８と水素リッチアンモニア生成リアクタ４０との間には、燃焼ガスＣＧの一部を水素リッチアンモニア生成リアクタ４０に導入してこれを熱源として加熱する一方、燃焼ガスＣＧの大部分を偏向させて複数の煙管４４内に流入させる板状のバッフル部材１９が設置される。バッフル部材１９は間隔を置いて下方部に形成された第１グループの細孔１９ａと上方部に形成された第２グループの細孔１９ｂとを有し、第１グループの細孔１９ａを介して燃焼ガスＣＧの一部が水素リッチアンモニア生成リアクタ４０に案内され、水素リッチアンモニア生成リアクタ４０を加熱した後の燃焼ガスＣＧの一部は第２グループの細孔１９ｂを経て煙管４４内に導入される。

このように、水素リッチアンモニア生成リアクタ４０は上流側煙室４１内に配置されて、燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される。水素リッチアンモニア生成リアクタ４０は、燃焼ガスＣＧを通過させるための間隔ＳＰをおいて同心的に配置されたコイル状のステンレスチューブＳＴ１，ＳＴ２からなり、これらステンレスチューブＳＴ１，ＳＴ２は伝熱手段として機能する伝熱部材５０を備える。

伝熱部材５０は、加水分解部５２とアンモニア分解部５４とを備え、その中間部にはオリフィス（図示せず）等の流量制限部材５６が配置される。加水分解部５２は尿素水を噴霧状に噴射するスプレーノズル等の尿素水噴射装置５８を備え、尿素水噴射装置５８は逆止弁６０及びポンプＰ１を介して尿素水供給タンク６１に接続されている。尿素水供給タンク６１には、水素リッチアンモニアの原料として４５乃至９５％濃度の尿素を含有する尿素水が貯蔵される。尿素水には、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｎａ_２ＣＯ_３、Ｋ_２ＣＯ_３、Ｎａ_２ＳｉＯ_３及びＫ_２ＳｉＯ_３からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液が添加される。

図１及び図２に示されるように、加水分解部５２はステンレスチューブＳＴ１に充填されていて複数の乱流発生通路６２を形成する、２〜６ｍｍの直径のアルミナ等のセラミックボール又はステンレスボール等からなる複数の固形状伝熱体６４を備える。尿素水噴射装置５８から噴霧状に加水分解部５２の内部に噴射された尿素水は複数の固形状伝熱体６４に衝突して気化され、気化したガスは複数の乱流発生通路６２で乱流を発生しながら通過して、複数の固形状伝熱体６４の伝熱面に衝突する。その過程において、尿素水は前述の加水分解触媒の存在下で加水分解されてアンモニアが生成される。

流量制限部材５６の上流側にはアンモニア抽出アウトレット５７が配置されていて、アンモニア抽出ライン５９と接続される。加水分解部５２で生成したアンモニアの一部は、流量制限部材５６によってその流量が制限されながらアンモニア分解部５４に供給される。アンモニア分解部５４は、ステンレスチューブＳＴ２に充填されたペレット状のアンモニア分解触媒６６を備える。アンモニア分解触媒６６としては、これに限定されるものではないが、例えば、イタリア国ＳＡＥＳＧＥＴＴＥＲＳ社製アンモニア分解触媒ＳＴ９０９（ＺｒＭｎＦｅ合金）、日揮触媒化成製のニッケル触媒Ｎ１３４，Ｎ１３５及びＮ１３５Ｌが使用される。アンモニア分解部５４に流入したアンモニアの一部はアンモニア分解触媒ペレット６６に対して衝突を繰り返しながら分解して窒素と水素から成る水素リッチガスＨＲＧが生成される。水素リッチガスＨＲＧは水素リッチガスアウトレット６５から取り出され、逆止弁６９を介してアンモニア抽出ライン５９から供給されたアンモニアの残部と混合されて水素リッチアンモニアＨＲＡが形成される。

水素リッチアンモニアＨＲＡは水素リッチアンモニア供給ライン６７を介して供給され、次いで、三方切替流量制御弁ＦＣＶを介して水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４に供給され、水素リッチアンモニアＨＲＡにおける水素の助燃作用で燃焼室２０内において燃焼して火炎ＦＬＭを形成する。また、必要に応じて、バルブＶ１を開弁して、水素リッチアンモニアＨＲＡの一部を水素リッチアンモニア供給ライン６７ａを介して取り出してボイラ外部の熱機器で利用しても良い。一方、アンモニア抽出アウトレット５７から吐出されたアンモニアの残部は、アンモニア供給ライン６８を経由してアンモニア開閉弁７０を介してアンモニア噴射ノズル７２から下流側煙室４２内に噴霧されて燃焼排ガスＥＧと混合される。煙突４６の上流側において下流側煙室４２には公知の脱硝装置７４が収納されていて、脱硝装置７４において窒素酸化物ＮＯｘはアンモニアにより還元されて窒素と水とに無害化される。

図１において、蒸気抽出管３４にはパージガス供給ライン８０が設けられ、パージガス供給ライン８０にパージガス供給制御弁８２が設けられる。パージガス供給ライン８０は逆止弁８４を介して加水分解部５２の噴射装置５８に接続され、後述のように、水素リッチアンモニア生成リアクタ４０への尿素水の供給が遮断されたときに、パージガス供給制御弁８２が開弁して蒸気抽出管３４から蒸気をパージガスとして水素リッチアンモニア生成リアクタ４０に導入する。この結果、水素リッチアンモニア生成リアクタ４０に残留する未反応尿素と残留ガスが水素リッチアンモニア供給ライン６７を経由して水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４に送られ、炉筒２４内で燃焼させられる。

水素リッチアンモニア生成リアクタ４０の温度を検出するための温度センサ９０がステンレスチューブＳＴ２の下流側端部に設置され、上流側煙室４１内の温度を検出するための温度センサ９１が設置され、蒸気抽出管３４には蒸気圧を検出するための蒸気圧センサ９２が設置され、煙突４６にはＮＯｘセンサ９４が設置され、これらセンサからの検出信号がパラメータ信号としてコントローラ１００に送られる。入力装置１０２からは、ボイラの始動・停止時間、尿素水供給用のポンプ起動・停止時間、水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４に供給される化石燃料と水素リッチアンモニアとの流量比制御パターン及びパージガスの供給開始・停止時間等の各種設定信号がコントローラ１００に入力される。コントローラ１００は、各センサから供給されたパラメータ信号と入力装置１０２から入力された設定信号に応じて次世代カーボンフリーボイラ１０の運転を制御する。

以上の構成の次世代カーボンフリーボイラ１０において、起動時にコントローラ１００からの始動信号Ｓ１，Ｓ２が出力されると、化石燃料供給ポンプＰｏとブロワ２８が起動され、同時に、着火装置（図示せず）が導通され、水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４によって化石燃料と燃焼用空気との混合気が着火される。すると、燃焼室２０ａ内には火炎ＦＬＭが形成されて燃焼ガスＣＧが発生する。この燃焼ガスＣＧの一部はバッフル部材１９の第１グループの細孔１９ａを通過して上流側煙室４１に流入して水素リッチアンモニア生成リアクタ４０を加熱する。加熱した後の燃焼ガスＣＧはコイル状のステンレスチューブＳＴ１，ＳＴ２の隙間ＳＰを通過してバッフル部材１９の第２グループの細孔１９ｂから流出して煙管４４に流入する。燃焼ガスＣＧの大部分はバッフル部材１９に衝突した後、複数の煙管４４内を流れて下流側煙室４２に流入する。このように、複数の煙管４４内を流れる燃焼ガスＣＧの熱エネルギーによってボイラ本体１２内のボイラ水が加熱されて蒸気が生成する。蒸気は蒸気抽出管３４を経て各利用機器に供給される。

温度センサ９０からの温度信号が水素リッチアンモニア生成リアクタ４０の作動可能温度、例えば、４００℃に相当する値に達した時に、コントローラ１００から水素リッチアンモニア生成リアクタ４０の作動開始のための指令信号Ｓ３が出力される。これら指令信号に応答して、ポンプＰ１が起動され、尿素水供給タンク６１から尿素水が逆止弁６０を経て供給され、噴射装置５８から加水分解部５２の上流側端部に噴霧状に噴射される。図２より明らかなように、噴霧状の尿素水はコイル状ステンレスチューブＳＴ１内部において複数の伝熱体６４と衝突・加熱されて蒸気となり、乱流発生通路６２を通過しながら乱流を発生し、順次、複数の伝熱体６４と衝突・加熱されながら下流側に進行して加水分解されてアンモニアとなる。アンモニアの一部は流量制限部材５６によって流量が制限されながらアンモニア分解部５４に導入される。一方、アンモニアの残部はアンモニア抽出アウアトレット５７及びアンモニア抽出ライン５９に案内され、逆止弁６９を介して水素リッチガスＨＲＧと混合されて水素リッチアンモニア供給ライン６７に給送される。

アンモニア分解部５４に導入されたアンモニアの一部はコイル状ステンレスチューブＳＴ２の内部に充填されたアンモニア分解ペレット６６に接触して分解され、窒素と水素に転化されて窒素リッチガスＨＲＧとなる。窒素リッチガスＨＲＧは水素リッチガスアウトレット６５から吐出してアンモニア抽出ライン５９から給送されたアンモニアと混合されて水素リッチアンモニアとなる。この水素リッチアンモニアは水素リッチアンモニア供給ライン６７を経由して三方切替流量制御弁ＦＣＶを介して水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４に供給される。

次世代カーボンフリーボイラ１０の起動時には、コントローラ１００からの起動指令信号Ｓ４に従って三方切替流量制御弁ＦＣＶは化石燃料タンク２５からの化石燃料の流量を最大にする一方、水素リッチアンモニアの流量を最小限度に制限する。次世代カーボンフリーボイラ１０の起動完了後には、化石燃料タンク２５からの化石燃料の流量を最小（又はゼロ）にする一方、水素リッチアンモニアの流量を最大にして温暖化ガスの排出量を抑制すると共に次世代カーボンフリーボイラ１０のランニングコストの低減を図る。

次世代カーボンフリーボイラ１０の運転中において、煙突４６から排出される排ガスのＮＯｘ値が所定置を超えたときは、ＮＯｘセンサ９４から出力された検出信号に応答して、コントローラ１００からＮＯｘ還元指令信号Ｓ５が出力される。ＮＯｘ還元指令信号Ｓ５に応答して、アンモニア開閉弁７０が開弁する。このとき、アンモニア抽出ライン５９に吐出したアンモニアはアンモニア供給ライン６８を介してアンモニア噴射ノズル７２に供給され、下流側煙室４２の燃焼排ガス中ＥＧに噴射され、脱硝触媒装置７４上でアンモニアがＮＯｘを還元して無害化する。

次世代カーボンフリーボイラ１０の停止時には、コントローラ１００からボイラ停止信号Ｓ６が出力される。ボイラ停止信号Ｓ６が出力されると、ポンプＰ１が停止される。このとき、コントローラ１００からパージ指令信号Ｓ７ｇａ出力され、パージガス供給制御弁８２が開弁する。この時、蒸気抽出管３４の蒸気がパージガスとして逆止弁８４を経て水素リッチアンモニア生成リアクタ４０内に導入され、未反応尿素及びアンモニア並びに水素リッチガス等の残留ガスがパージされ、パージガスは水素リッチアンモニア供給ライン６７及び三方切替流量制御弁ＦＣＶを介して水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４から燃焼室２０ａに噴射される。このとき、化石燃料タンク２５の化石燃料は三方切替流量制御弁ＦＣＶを介して水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４から噴射されてパージガスと共に燃焼される。

次に、本発明の第２実施例による次世代カーボンフリーボイラ１０Ａについて図３に基づき説明する。第２実施例による次世代カーボンフリーボイラ１０Ａは還流型ボイラに適用したものとして説明するが本発明はこの種のボイラに限定されるものではない。第１実施例の次世代カーボンフリーボイラ１０と同一又は類似の構成部品については同一又は類似の符号を用いる。

図３において、次世代カーボンフリーボイラ１０Ａは、円筒状ハウジング１４からなるボイラ本体１２Ａを備える。ボイラ本体１２Ａは、円筒状ハウジング１４の上下方向に配置された上部管寄せ１５０と下部管寄せ１５２と、上部管寄せ１５０及び下部管寄せ１５２との間で小径のリング状に配列された第一水管列１５４と、上部管寄せ１５０及び下部管寄せ１５２との間で大径のリング状に配列された第二水管列１５６とを備える。上部管寄せ１５０及び下部管寄せ１５２との間にはセパレータ１５８が連結され、セパレータ１５８には蒸気抽出管３４が接続され、蒸気抽出管３４には蒸気圧センサ９２とパージガス供給制御弁８２が設けられる。

ボイラ本体１２Ａには、上部管寄せ１５０の中央部を延びるように設置された水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４と、水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４に燃焼用空気を供給するためのブロワ２８とを有する。環状に配列された第一水管列１５４の中心部において、そのほぼ軸線方向に延びるように、燃焼室２０Ａが形成される。燃焼室２０Ａの中間部から底部領域において、水素リッチアンモニア生成リアクタ４０Ａが設置される。

水素リッチアンモニア生成リアクタ４０Ａの上方には円錐状のバッフル部材１９Ａが一体に取り付けられている。バッフル部材１９Ａは水素リッチアンモニア燃焼バーナ２４による火炎が発生した際に、火炎による燃焼ガスＣＧＡの流れを下部管寄せ１５２側に向けて径方向に拡大しながら流動させ、第一水管列１５４と第二水管列１５６に対して燃焼ガスの接触領域を拡大してこれらの加熱効率を向上させている。各水管１５４ａ，１５６ａは、燃焼ガスＣＧＡの加熱領域内に位置する。燃焼ガＣＧＡは、各水管１５４ａ，１５６ａの隙間１６０を通過する際に各水管１５４ａ，１５６ａ内部のボイラ水との間で熱交換を行う。そして、燃焼ガスＣＧＡは第二水管列１５６に到達する間に水素リッチアンモニア生成リアクタ４０Ａも加熱しながら、燃焼反応をほぼ終了して高温ガスとなり、第二隙間１６２を通って煙突４６へ流入する。

図３に示された水素リッチアンモニア生成リアクタ４０Ａは図２に示された水素リッチアンモニア生成リアクタ４０と同様に、加水分解部５２と、アンモニア分解部５４と、流量制限部５６とを備え、水素リッチアンモニア生成リアクタ４０と全く同一の作用をするため、詳細な説明を省略する。なお、図３に示されたアンモニア噴射ノズル７２も図１に示されたものと全く同一の作用をするため、詳細な説明を省略する。

上記構成の第２実施例の次世代カーボンフリーボイラ１０Ａは、バッフル部材１９Ａが燃焼ガスＣＧＡをボイラ本体１２Ａの径方向に拡大して第一水管列１５４と第二水管列１５６の方向に流動させる他は、第１実施例の次世代カーボンフリーボイラ１０と全く同様な作用をし、水素リッチアンモニア生成器４０も同様な作用を行うため、詳細な説明を省略する。

以上の説明において、次世代カーボンフリーボイラは炉筒煙管ボイラ及び多管式貫流ボイラに適用したものとして例示したが、本発明は、これら型式のボイラに限定されるものではなく、例えば、複数の水素リッチアンモニア燃焼バーナを装着した燃焼室と、燃焼ガスの下流側に過熱器、蒸発器、節炭器等からなるボイラ本体を配置した大型の火炉を備えた火力発電用のボイラシステムにも適用可能である。

上述の実施例において、水素リッチアンモニア燃焼バーナは単一の水素リッチアンモニア燃焼バーナノズルを備えたものとして説明したが、水素リッチアンモニア燃焼バーナを化石燃料燃焼バーナノズルと水素リッチアンモニア燃焼バーナノズルとにそれぞれ独立した構成、或いは、水素リッチアンモニア燃焼バーナを化石燃料燃焼バーナノズルと水素リッチアンモニア燃焼バーナノズルとを有する予混合ノズルにおいてこれら２つの燃料をスワーラで予混合してから燃焼させる構成を採用しても良い。この変形例では、３方向切替流量制御弁をそれぞれの燃料の流量を制御可能な個別の流量制御弁にしても良い。

１２ボイラ本体、１４円筒状ハウジング、１９，１９Ａバッフル部材、２０円筒状炉筒、２４水素リッチアンモニア燃焼バーナ、２５化石燃料タンク、２８ブロワー、３４蒸気抽出管、４０，４０Ａ水素リッチアンモニア生成リアクタ、４１上流側煙室、４２下流側煙室、４４煙管、５２加水分解部、５４アンモニア分解部、５６流量制限部材、６１尿素水タンク、６２固形状伝熱体、６６アンモニア分解触媒、１００コントローラ

Claims

燃焼室を有するボイラ本体と、前記燃焼室に火炎による燃焼ガスを発生させる水素リッチアンモニア燃焼バーナと、尿素水を供給する尿素水供給源と、前記尿素水供給源に接続されて前記燃焼ガスの流路に設置され、前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記尿素水を加水分解することにより高温アンモニアガスを生成するとともに前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記アンモニアの一部を分解して高温水素リッチガスを生成する水素リッチアンモニア生成リアクタとを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクタが、前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として加熱される伝熱部材と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記尿素水を加水分解する加水分解部と、前記伝熱部材に配置されていて前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を分解して前記高温水素リッチガスを生成するアンモニア分解部とを備え、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスからなる高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを前記水素リッチアンモニア燃焼バーナで燃焼させて蒸気を生成することを特徴とする次世代カーボンフリーボイラ。
前記加水分解部が、前記伝熱部材に配置されていて複数の乱流発生通路を形成する複数の固形状伝熱体を備えることを特徴とする請求項１記載の次世代カーボンフリーボイラ。
前記ボイラ本体で生成された蒸気を導入する蒸気抽出管と、前記蒸気抽出管と前記水素リッチアンモニア生成リアクタとの間に設置されたパージガス供給ラインと、前記パージガス供給ラインに設置されたパージガス供給制御弁とを備え、前記水素リッチアンモニア生成リアクタへの前記尿素水の供給が遮断されたときに前記パージガス供給制御弁が前記蒸気抽出管から前記蒸気の一部をパージガスとして前記水素リッチアンモニア生成リアクタに導入することで前記水素リッチアンモニア生成リアクタに残留する未反応尿素と残留ガスとを排出することを特徴とする請求項１又は２記載の次世代カーボンフリーボイラ。
火炎による燃焼ガスを発生させるための水素リッチアンモニア燃焼バーナをボイラ本体の燃焼室に設置し、前記燃焼ガスの流路に水素リッチアンモニア生成リアクタを設置して前記燃焼ガスの熱エネルギーの一部を熱源として前記水素リッチアンモニア生成リアクタを加熱し、前記水素リッチアンモニア生成リアクタに尿素水を供給して加水分解することにより高温アンモニアガスを生成し、前記燃焼ガスの熱エネルギーの存在下で前記高温アンモニアガスの一部を分解して窒素と水素からなる高温水素リッチガスを生成し、前記高温アンモニアガスの残部と前記高温水素リッチガスとの混合ガスからなる高温水素リッチアンモニアと燃焼用空気とを前記水素リッチアンモニア燃焼バーナで燃焼させて蒸気を生成し、前記水素リッチアンモニア生成リアクタへの前記尿素水の供給が遮断されたときに前記蒸気の一部をパージガスとして前記水素リッチアンモニア生成リアクタに導入しで前記水素リッチアンモニア生成リアクタに残留する未反応尿素と残留ガスとを排出することを特徴とする次世代カーボンフリーボイラの運転方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の次世代カーボンフリーボイラおよび請求項４記載の次世代カーボンフリーボイラの運転方法に利用される尿素水であって、前記尿素水が、尿素と、水と、アルカリ金属の水酸化物，炭酸塩及び珪酸塩からなる群から選ばれる１種以上を主成分とするアルカリ触媒溶液とを含むことを特徴とする尿素水。