JP7027817B2

JP7027817B2 - 燃焼装置及びボイラ

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Publication number: JP7027817B2
Application number: JP2017213209A
Authority: JP
Inventors: 咲子石原; 聚偉張; 隆政伊藤
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2022-03-02
Anticipated expiration: 2037-11-02
Also published as: JP2019086189A

Description

本発明は、燃焼装置及びボイラに関するものである。

下記特許文献１には、アンモニアを含む燃料を燃焼させる複合エネルギーシステムが開示されている。この複合エネルギーシステムは、二酸化炭素の排出量を削減することを目的として、主燃料である天然ガスにアンモニアを添加して燃焼させるものである。

特開２０１６－０３２３９１号公報

ところで、アンモニアを燃料の一部として燃焼させた場合には燃焼ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加が懸念される。上記背景技術は、専ら二酸化炭素の排出量の削減を目的としており、窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減さることについて何ら解決策を提示するものではない。天然ガスのような炭素燃料とアンモニアのような窒素含有燃料とを一緒に燃焼させる場合には、実用性の観点から窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することが必要不可欠である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、アンモニアを燃料として燃焼可能なボイラにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、火炉に設置されると共にアンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置であって、上記燃料の噴射方向から見て中心部に配置されると共に火炎形成空間において相対的に酸素濃度が低い酸素濃度低下領域に上記アンモニアを噴射するアンモニア噴射ノズルを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記アンモニア噴射ノズルが、供給された上記アンモニアの流速を増大させて上記アンモニア噴射ノズルの軸芯に沿って噴射する加速型噴射ノズルであるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記加速型噴射ノズルが、先端部に形成されると共に上記軸芯に中心を重ねて配置される単一の噴射開口と、上記加速型噴射ノズルの内部に形成されると共に上記噴射開口に接続された内部流路とを有し、上記噴射開口の直径が、上記内部流路の直径よりも小さく設定されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１の発明において、上記アンモニア噴射ノズルが、上記アンモニア噴射ノズルの軸芯を中心とする径方向外側に上記アンモニアを分散して噴射する分散型噴射ノズルであるという構成を採用する。

第５の発明は、上記第４の発明において、上記分散型噴射ノズルが、上記軸芯を囲んで配列される複数の噴射開口を有するという構成を採用する。

第６の発明は、アンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置と、上記燃焼装置が取り付けられた火炉とを備えるボイラであって、上記燃焼装置として、上記第１～第５いずれかの発明である燃焼装置を備えるという構成を採用する。

第７の発明は、上記第６の発明において、上記火炉の内部が理論空気量よりも低い空気雰囲気に設定されているという構成を採用する。

本発明によれば、中心に配置されたアンモニア噴射ノズルによって、酸素濃度が低い酸素濃度低下領域にアンモニアが噴射される。酸素が豊富な領域でアンモニアが燃焼すると、アンモニアに含まれる窒素が酸素と結びついて窒素酸化物（ＮＯｘ）が生成されやすい。一方で、酸素濃度低下領域にてアンモニアが燃焼されると、アンモニアに含まれる窒素同士が結びついて窒素ガス（Ｎ_２）となる。このため、本発明によれば、アンモニアを燃料として燃焼可能なボイラにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することが可能となる。

本発明の第１実施形態のボイラの要部構成を示す模式図である。本発明の第１実施形態のボイラが備えるバーナの概略構成を模式的に示す断面図である。本発明の第１実施形態のボイラが備えるバーナが形成する火炎を含む模式図である。本発明の第１実施形態のボイラが備えるバーナのアンモニア噴射ノズルの概略構成図である。本発明の第２実施形態のボイラが備えるバーナのアンモニア噴射ノズルの概略構成図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼装置及びボイラの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、本第１実施形態のボイラ１の要部構成を示す模式図である。図１に示すように、ボイラ１は、火炉２と、煙道３と、バーナ４（燃焼装置）と、二段燃焼空気供給部５と、アンモニア供給部６と、微粉炭供給部７とを備えている。

火炉２は、垂直かつ筒状に設けられた炉壁によって構成され、アンモニアや微粉炭等の燃料を燃焼させて燃焼熱を発生させる炉体である。この火炉２では、燃料が燃焼することによって高温の燃焼ガスが発生する。また、火炉２の底部には、燃料の燃焼によって発生する灰分を外部に排出する排出口２ａが設けられている。

煙道３は、火炉２の上部と接続され、火炉２で発生した燃焼ガスを排ガスとして外部に案内する。このような煙道３は、火炉２の上部から水平に延出する水平煙道３ａと、水平煙道３ａの端部から下方に延出する後部煙道３ｂとを備えている。

なお、図１では省略しているが、ボイラ１は、火炉２の上部等に設置される過熱器を備えている。過熱器は、火炉２で発生した燃焼熱と水とを熱交換することによって水蒸気を生成する。また、図１では省略しているが、ボイラ１は、必要に応じて再熱器、節炭器、空気予熱器等を備える。

バーナ４は、火炉２の下部の壁部に配置されている。このバーナ４は、火炉２の周方向に複数設置されている。また、図１では省略しているが、バーナ４は、火炉２の高さ方向にも複数設置されている。これらのバーナ４は、火炉２の下部に二次元状かつ対向配置されており、燃料を噴射して燃焼させる。これらのバーナ４は、何れもアンモニア及び微粉炭を燃料として火炉２内に噴射可能な複合バーナである。なお、図１では省略しているが、火炉２にはバーナ４から噴射された燃料（アンモニア及び微粉炭）を着火させる着火装置が設けられている。また、図１では省略しているが、ボイラ１は、バーナ４に対して燃焼空気を供給する燃焼空気供給部を有している。各バーナ４から火炉２内に燃焼空気と共に噴射された燃料（アンモニア及び微粉炭）は、上述の着火装置の働きによって着火して燃焼する。

なお、ボイラ１に設置されるバーナ４は、全てが上述のような複合バーナである必要はない。例えば、石炭専焼のバーナやアンモニア専焼のバーナを備える構成を採用することもできる。

ここで、アンモニアは、分子式（ＮＨ_３）によって示されるように水素（Ｈ）と窒素（Ｎ）との化合物であり、構成原子として炭素（Ｃ）を含まない。また、このアンモニア（低炭素燃料）は、難燃性の物質として知られるものの、メタン（ＣＨ_３）と同様に３つの水素原子を有する水素キャリア物質である。一方、微粉炭は、化石燃料である石炭を数マイクロメートル程度の大きさまで粉砕処理したものであり、ボイラ用の燃料として一般的に使用されている。すなわち、アンモニアは、微粉炭（炭素燃料）よりも炭素濃度が低い低炭素燃料である。

図２は、バーナ４の概略構成を模式的に示す断面図である。バーナ４は、アンモニア噴射ノズル４１と、微粉炭噴射ノズル４２とを備えており、全体としてアンモニア噴射ノズル４１の軸芯Ｌを中心とした略円筒状に形成されている。アンモニア噴射ノズル４１は、後端部がアンモニア供給部６と接続されており、先端部から火炉２の内部にアンモニアを噴射する。微粉炭噴射ノズル４２は、アンモニア噴射ノズル４１を囲むように、アンモニア噴射ノズル４１と同心円状に設けられた二重筒形状であり、内筒と外筒との間から火炉２の内部に微粉炭を噴射する。また、アンモニア噴射ノズル４１と微粉炭噴射ノズル４２との間には隙間が設けられており、この隙間から燃焼用の空気が火炉２の内部に供給される。

また、バーナ４は、アンモニア噴射ノズル４１及び微粉炭噴射ノズル４２を囲うように配設される２次空気供給部４３と、２次空気供給部４３を囲うように配設される３次空気供給部４４とを備えている。これらの２次空気供給部４３及び３次空気供給部４４は、火炎に対して径方向外側から燃焼用の空気を供給する。

このようなバーナ４では、アンモニア噴射ノズル４１からアンモニアが噴射され、微粉炭噴射ノズル４２から微粉炭が噴射され、さらに燃焼用の空気が供給されることによって、図３に示すように、バーナ４の前方に対して火炎Ｆが形成される。このように火炎Ｆが形成されると、火炎Ｆの外縁領域Ｒ１（アンモニア噴射ノズル４１の軸芯Ｌの径方向外側の領域）と、火炎Ｆの先端領域Ｒ２は、火炎Ｆが形成された他の領域に対して酸素濃度が低い酸素濃度低下領域となる。

図４（ａ）は、アンモニア噴射ノズル４１の軸芯Ｌを含む面での断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ－Ａ断面図である。これらの図に示すように、アンモニア噴射ノズル４１は、軸芯Ｌを中心とする円筒形状の直管型のノズルであり、アンモニアを噴射する噴射開口２０を先端に１つのみ有している。噴射開口２０は、アンモニア噴射ノズル４１の軸芯Ｌと中心が重なるように形成されている。つまり、図２（ｂ）に示すように、噴射開口２０は、アンモニア噴射ノズル４１の軸芯Ｌに沿った方向から見て、アンモニア噴射ノズル４１の中央に形成されている。また、噴射開口２０の直径Ｄ１は、アンモニア噴射ノズル４１の内部流路の直径Ｄ２よりも小さく設定されている。このようなアンモニア噴射ノズル４１は、アンモニア供給部６から内部流路に供給されたアンモニアを噴射開口２０から外部に噴射する。このとき、アンモニア噴射ノズル４１が、内部流路の直径Ｄ２よりも小さな直径Ｄ１を有する噴射開口２０を１つのみ有しているため、内部流路に供給されたアンモニアは、噴射開口２０を通過する際に加速される。このようにアンモニア噴射ノズル４１は、内部流路に供給されたアンモニアを、流速を増大させて軸芯Ｌに沿って噴射する加速型噴射ノズルとされている。加速されて噴射されたアンモニアは、貫通力が増すことによって、火炎Ｆの先端領域Ｒ２（すなわち酸素濃度低下領域）に到達する。つまり、バーナ４は、燃料の噴射方向から見て中心部に配置されると共に火炎形成空間において相対的に酸素濃度が低い火炎Ｆの先端領域Ｒ２（酸素低下領域）にアンモニアを噴射するアンモニア噴射ノズル４１を備えている。

図１に戻り、二段燃焼空気供給部５は、バーナ４の上方にて火炉２と接続されており、火炉２の内部に二段燃焼用の空気を供給する。このような二段燃焼空気供給部５によって二段燃焼用の空気を供給することで、バーナ４で燃焼された燃料の未燃分が二段燃焼空気によって燃焼され、ボイラ１の収熱性能を高めると共に、排ガスに含まれる燃料の未燃分を減少させることができる。

アンモニア供給部６は、アンモニア供給源６ａと、燃料アンモニア供給部６ｂと、アンモニア供給制御装置６ｃとを備えている。アンモニア供給源６ａは、アンモニアを貯蔵するタンク等からなる。なお、アンモニア供給源６ａは、必ずしもアンモニア供給部６の構成要素である必要はない。つまり、アンモニア供給部６は、外部に設置されたアンモニア供給源６ａからアンモニアを取り込むようにしても良い。

燃料アンモニア供給部６ｂは、アンモニア供給源６ａとバーナ４とを接続する燃料アンモニア供給配管６ｂ１と、燃料アンモニア供給配管６ｂ１の途中部位に設置される流量調節弁６ｂ２とを備えている。燃料アンモニア供給配管６ｂ１は、アンモニア供給源６ａから供給されたアンモニアをバーナ４に案内する配管である。流量調節弁６ｂ２は、アンモニア供給源６ａから燃料アンモニア供給配管６ｂ１に供給されるアンモニアの流量を調節するバルブである。

アンモニア供給制御装置６ｃは、流量調節弁６ｂ２を制御し、流量調節弁６ｂ２の開度を調節する。アンモニア供給制御装置６ｃは、外部の指令等に基づいて、流量調節弁６ｂ２の開度を調節することによってアンモニア供給源６ａから取り込まれるアンモニアの流量を調節する。

微粉炭供給部７は、バーナ４と接続されており、石炭を粉砕して微粉炭とすると共に微粉炭をバーナ４に対して供給する。この微粉炭供給部７は、例えば石炭を数マイクロメートル程度の粒径まで粉砕して微粉炭とするミルと、ミルによって生成された微粉炭をバーナ４に供給する給炭機とを備えている。なお、微粉炭供給部７は、給炭機を備えずにミルから直接的に微粉炭をバーナ４に供給する構成とすることもできる。

このような本実施形態のボイラ１では、火炉２の内部が理論空気量よりも低い空気雰囲気に設定される。その後、アンモニア供給部６からバーナ４にアンモニアが供給され、微粉炭供給部７からバーナ４に微粉炭が供給され、アンモニア及び微粉炭を燃料としてバーナ４で火炎が形成される。このとき、バーナ４のアンモニア噴射ノズル４１によってアンモニアの流速が増大されるため、アンモニア噴射ノズル４１から噴射されたアンモニアは、火炎Ｆの先端領域Ｒ２に到達して燃焼される。この結果、アンモニアが熱分解されることによって生成された窒素原子が酸素原子と結びつくことを抑制し、窒素原子同士を結び付かせることができる。このため、アンモニアが燃焼された場合であっても、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生が抑制される。さらに、本実施形態のボイラ１では、火炉２の内部が理論空気量よりも低い空気雰囲気に設定されているため、より窒素分子が酸素分子と結びつくことを抑制し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制することができる。

また、二段燃焼空気供給部５によって二段燃焼用の空気が火炉２の内部に供給されることによって、燃焼ガスに含まれる未燃の燃料が燃焼される。燃料が燃焼されることで生成された燃焼ガスは、火炉２の下部から上部に移動し、煙道３を通じて外部に案内される。

以上のような本実施形態のボイラ１が備えるバーナ４によれば、中心に配置されたアンモニア噴射ノズルによって、酸素濃度が低い酸素濃度低下領域にアンモニアが噴射される。酸素が豊富な領域でアンモニアが燃焼すると、アンモニアに含まれる窒素が酸素と結びついて窒素酸化物（ＮＯｘ）が生成されやすい。一方で、酸素濃度低下領域にてアンモニアが燃焼されると、アンモニアに含まれる窒素同士が結びついて窒素ガス（Ｎ_２）となる。このため、本実施形態のボイラ１が備えるバーナ４によれば、アンモニアを燃料として燃焼可能なボイラにおいて、窒素酸化物（ＮＯｘ）の増加を抑制することが可能となる。

また、本実施形態のボイラ１が備えるバーナ４においては、アンモニア噴射ノズル４１が、供給されたアンモニアの流速を増大させてアンモニア噴射ノズルの軸芯Ｌに沿って噴射する加速型噴射ノズルとされている。このため、本実施形態のボイラ１が備えるバーナ４によれば、簡易な構造にてアンモニアを酸素濃度低下領域である先端領域Ｒ２に到達させることができる。

また、本実施形態のボイラ１が備えるバーナ４においては、アンモニア噴射ノズル４１は、先端部に形成されると共に軸芯Ｌに中心を重ねて配置される単一の噴射開口２０と、アンモニア噴射ノズル４１の内部に形成されると共に噴射開口に接続された内部流路とを有し、噴射開口２０の直径Ｄ１が内部流路の直径Ｄ２よりも小さく設定されている。このため、簡易な構造にて、アンモニア噴射ノズル４１の内部流路に供給されたアンモニアを加速させることが可能となる。

また、本実施形態のボイラ１においては、火炉２の内部が理論空気量よりも低い空気雰囲気に設定されている。このため、より窒素分子が酸素分子と結びつくことを抑制し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図５は、本実施形態のボイラが備えるバーナのアンモニア噴射ノズル４５の概略構成を示す図である。図５（ａ）は、アンモニア噴射ノズル４５の軸芯Ｌを含む面での断面図であり、図５（ｂ）はアンモニア噴射ノズル４５の正面図である。これらの図に示すように、アンモニア噴射ノズル４５の先端部には、アンモニアを噴射する複数の噴射開口２１が設けられている。これらの噴射開口２１は、図５（ｂ）に示すように、アンモニア噴射ノズル４５の軸芯Ｌを囲むように環状に配列されている。また、各々の噴射開口２１は、火炎Ｆの外縁領域Ｒ１に向けてアンモニアを噴射するように、軸芯Ｌを中心とする径方向外側に向けて開口されている。

このようなアンモニア噴射ノズル４５は、先端部に設けられた複数の噴射開口２１から軸芯Ｌを中心とする径方向外側にアンモニアを分散して噴出する。つまり、本実施形態においては、アンモニア噴射ノズル４５は、軸芯Ｌを中心とする径方向外側にアンモニアを分散して噴射する分散型噴射ノズルとされている。

アンモニア噴射ノズル４５から噴射されたアンモニアは、軸芯Ｌを中心とする径方向外側に広がりながら前方に移動し、火炎Ｆの外縁領域Ｒ１に到達する。つまり、アンモニア噴射ノズル４５は、燃料の噴射方向から見て中心部に配置されると共に火炎形成空間において相対的に酸素濃度が低い酸素濃度低下領域（外縁領域Ｒ１）にアンモニアを噴射する。この結果、アンモニアが熱分解されることによって生成された窒素原子が酸素原子と結びつくことを抑制し、窒素原子同士を結び付かせることができ、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、アンモニア噴射ノズル４５が軸芯Ｌを囲んで配列される複数の噴射開口２１を有する簡易な構造にて、アンモニアを酸素濃度低下領域（外縁領域Ｒ１）に供給することが可能となる。

なお、本実施形態のアンモニア噴射ノズル４５に対して、上記第１実施形態の噴射開口２０を加える構成を採用することも可能である。このような場合には、火炎Ｆの外縁領域Ｒ１及び先端領域Ｒ２にアンモニアを供給することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、微粉炭とアンモニアとを燃料として混焼させるボイラについて説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、天然ガスとアンモニアを燃料として混焼させる構成、重油や軽油とアンモニアを燃料として混焼させる構成、あるいは、アンモニアのみを燃料として燃焼させる構成等を採用することが可能である。

１……ボイラ
２……火炉
２ａ……排出口
３……煙道
３……次空気供給部
３ａ……水平煙道
３ｂ……後部煙道
４……バーナ（燃焼装置）
５……二段燃焼空気供給部
６……アンモニア供給部
６ａ……アンモニア供給源
６ｂ……燃料アンモニア供給部
６ｂ１……燃料アンモニア供給配管
６ｂ２……流量調節弁
６ｃ……アンモニア供給制御装置
７……微粉炭供給部
２０……噴射開口
２１……噴射開口
４１……アンモニア噴射ノズル
４２……微粉炭噴射ノズル
４３……２次空気供給部
４４……３次空気供給部
４５……アンモニア噴射ノズル
Ｆ……火炎
Ｌ……軸芯
Ｒ１……外縁領域
Ｒ２……先端領域

Claims

火炉に設置されると共にアンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置であって、
前記燃料の噴射方向から見て中心部に配置されると共に火炎形成空間において相対的に酸素濃度が低い酸素濃度低下領域に前記アンモニアを噴射するアンモニア噴射ノズルを備え、
前記アンモニア噴射ノズルは、前記アンモニア噴射ノズルの軸芯を中心とする径方向外側に前記アンモニアを分散して噴射する分散型噴射ノズルであり、
前記分散型噴射ノズルは、先端部に形成されると共に前記軸芯に中心を重ねて配置された第１の噴射開口と、前記軸芯を囲んで配列される複数の第２の噴射開口を有し、
各々の第２の前記噴射開口は、前記軸芯に対して傾斜しかつ前記火炎形成空間に向かう方向に前記アンモニアを噴射する
ことを特徴とする燃焼装置。
アンモニアを燃料として燃焼可能な燃焼装置と、前記燃焼装置が取り付けられた火炉とを備えるボイラであって、
前記燃焼装置として、請求項１記載の燃焼装置を備えることを特徴とするボイラ。
前記火炉の内部が理論空気量よりも低い空気雰囲気に設定されていることを特徴とする請求項２記載のボイラ。