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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024122204
(43)【公開日】2024-09-09
(54)【発明の名称】燃料の製造装置及び燃焼装置
(51)【国際特許分類】
C01B 3/04 20060101AFI20240902BHJP
F23C 1/00 20060101ALI20240902BHJP
F23D 14/66 20060101ALI20240902BHJP
【ＦＩ】
C01B3/04 B
F23C1/00 301
F23D14/66 C
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023029629
(22)【出願日】2023-02-28
(71)【出願人】
【識別番号】000126115
【氏名又は名称】エア・ウォーター株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 悠宜
(72)【発明者】
【氏名】森 晃一
(72)【発明者】
【氏名】藤原 義之
【テーマコード（参考）】
3K017
3K091
【Ｆターム（参考）】
3K017DC03
3K091AA20
3K091BB26
3K091CC06
3K091CC17
(57)【要約】
【課題】アンモニア及び水素を含有する燃料の製造装置であって、燃料製造の省エネルギー化が可能な製造装置、並びに、該製造装置を含む燃焼装置を提供する。
【解決手段】アンモニア及び水素を含有する燃料の製造装置であって、熱媒体との熱交換により、液化アンモニアからアンモニアガスを生成するための気化部；該気化部に接続され、該アンモニアガスの少なくとも一部を分解反応に供することによって水素含有ガスを生成するための分解反応部；並びに、燃料の燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体と分解反応部との間で熱交換を行うための第１熱交換部、及び、燃料の燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体と上記熱媒体との間で熱交換を行うための第２熱交換部からなる群より選択される少なくとも１つ；を含む製造装置、並びに、該製造装置を含む燃焼装置が提供される。
【選択図】図１
【解決手段】アンモニア及び水素を含有する燃料の製造装置であって、熱媒体との熱交換により、液化アンモニアからアンモニアガスを生成するための気化部；該気化部に接続され、該アンモニアガスの少なくとも一部を分解反応に供することによって水素含有ガスを生成するための分解反応部；並びに、燃料の燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体と分解反応部との間で熱交換を行うための第１熱交換部、及び、燃料の燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体と上記熱媒体との間で熱交換を行うための第２熱交換部からなる群より選択される少なくとも１つ；を含む製造装置、並びに、該製造装置を含む燃焼装置が提供される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アンモニア及び水素を含有する燃料の製造装置であって、
熱媒体との熱交換により、液化アンモニアからアンモニアガスを生成するための気化部と、
前記気化部に接続され、前記アンモニアガスの少なくとも一部を分解反応に供することによって水素含有ガスを生成するための分解反応部と、
下記する第１熱交換部及び第２熱交換部からなる群より選択される少なくとも１つと、
を含む、製造装置。
第１熱交換部：前記燃料の燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体と、前記分解反応部との間で熱交換を行うための熱交換部
第２熱交換部：前記燃料の燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体と、前記熱媒体との間で熱交換を行うための熱交換部
熱媒体との熱交換により、液化アンモニアからアンモニアガスを生成するための気化部と、
前記気化部に接続され、前記アンモニアガスの少なくとも一部を分解反応に供することによって水素含有ガスを生成するための分解反応部と、
下記する第１熱交換部及び第２熱交換部からなる群より選択される少なくとも１つと、
を含む、製造装置。
第１熱交換部：前記燃料の燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体と、前記分解反応部との間で熱交換を行うための熱交換部
第２熱交換部：前記燃料の燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体と、前記熱媒体との間で熱交換を行うための熱交換部
【請求項2】
前記分解反応部において、前記アンモニアガスの一部から前記水素含有ガスが生成され、
前記製造装置は、前記アンモニアガスの残部と前記水素含有ガスとを混合して、前記燃料を生成するための混合部をさらに含む、請求項１に記載の製造装置。
前記製造装置は、前記アンモニアガスの残部と前記水素含有ガスとを混合して、前記燃料を生成するための混合部をさらに含む、請求項１に記載の製造装置。
【請求項3】
前記アンモニアガスの全部が前記分解反応部に導入されることにより前記水素含有ガスが生成され、
前記水素含有ガスが前記燃料である、請求項１に記載の製造装置。
前記水素含有ガスが前記燃料である、請求項１に記載の製造装置。
【請求項4】
前記第１熱交換部及び前記第２熱交換部の両方を含む、請求項１に記載の製造装置。
【請求項5】
前記第１熱交換部と前記第２熱交換部とは、前記帯熱媒体を流通させるための流路で接続されており、
前記第２熱交換部で熱交換される帯熱媒体は、前記第１熱交換部で熱交換された後の帯熱媒体である、請求項４に記載の製造装置。
前記第２熱交換部で熱交換される帯熱媒体は、前記第１熱交換部で熱交換された後の帯熱媒体である、請求項４に記載の製造装置。
【請求項6】
請求項１～５のいずれか１項に記載の製造装置と、
前記製造装置によって製造される前記燃料を燃焼させるための燃焼炉と、
を含む、燃焼装置。
前記製造装置によって製造される前記燃料を燃焼させるための燃焼炉と、
を含む、燃焼装置。
【請求項7】
前記燃焼炉がリジェネレーティブバーナを備える、請求項６に記載の燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アンモニア及び水素を含有する燃料の製造装置、並びに、該製造装置を含む燃焼装置に関する。
【背景技術】
【0002】
脱炭素社会へ向けて、化石燃料に替わる、水素やアンモニアのような燃焼時に炭酸ガスを発生しない燃料を使用する動きが加速している。工業炉においても、アンモニアを燃料として利用するための開発が始まっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２２－０１５４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
アンモニアの燃焼速度は、化石燃料に比べて遅く（８ｃｍ／ｓｅｃ、参考：メタン４３ｃｍ／ｓｅｃ）、燃焼温度も低いことから、燃焼時に失火しやすいことが一般的に知られている。燃焼の安定化のために酸素富化の条件で燃焼させる方法があるが、この場合、燃焼温度が高くなりすぎて、温暖化係数の大きいＮＯｘが排出されるという問題がある。この問題を解決し、燃焼を安定化させ得る方法として、特開２０２２－０１５４６４号公報（特許文献１）には、アンモニアの分解により、燃焼速度の大きい水素ガス（３４６ｃｍ／ｓｅｃ）と窒素ガスとを生成させ、該水素ガス及び該窒素ガスとアンモニアとを含む改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合して燃焼させることが記載されている。
【0005】
下記式で表されるように、アンモニアの分解反応は吸熱反応である。そのため、特許文献１に記載の方法では、アンモニア分解のための熱源としてヒーターを設けている。この方法では、改質アンモニア燃料を製造するために、アンモニア分解のための余分のエネルギー（４６ｋＪ／ｍｏｌ）が必要となり、該エネルギーをヒーターによって供給している。
【0006】
【化1】
【0007】
本発明の目的は、アンモニア及び水素を含有する燃料の製造装置であって、燃料製造の省エネルギー化が可能な製造装置、並びに、該製造装置を含む燃焼装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、以下の製造装置及び燃焼装置を提供する。
［１］ アンモニア及び水素を含有する燃料の製造装置であって、
熱媒体との熱交換により、液化アンモニアからアンモニアガスを生成するための気化部と、
前記気化部に接続され、前記アンモニアガスの少なくとも一部を分解反応に供することによって水素含有ガスを生成するための分解反応部と、
下記する第１熱交換部及び第２熱交換部からなる群より選択される少なくとも１つと、
を含む、製造装置。
第１熱交換部：前記燃料の燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体と、前記分解反応部との間で熱交換を行うための熱交換部
第２熱交換部：前記燃料の燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体と、前記熱媒体との間で熱交換を行うための熱交換部
［２］ 前記分解反応部において、前記アンモニアガスの一部から前記水素含有ガスが生成され、
前記製造装置は、前記アンモニアガスの残部と前記水素含有ガスとを混合して、前記燃料を生成するための混合部をさらに含む、［１］に記載の製造装置。
［３］ 前記アンモニアガスの全部が前記分解反応部に導入されることにより前記水素含有ガスが生成され、
前記水素含有ガスが前記燃料である、［１］に記載の製造装置。
［４］ 前記第１熱交換部及び前記第２熱交換部の両方を含む、［１］に記載の製造装置。
［５］ 前記第１熱交換部と前記第２熱交換部とは、前記帯熱媒体を流通させるための流路で接続されており、
前記第２熱交換部で熱交換される帯熱媒体は、前記第１熱交換部で熱交換された後の帯熱媒体である、［４］に記載の製造装置。
［６］ ［１］～［５］のいずれかに記載の製造装置と、
前記製造装置によって製造される前記燃料を燃焼させるための燃焼炉と、
を含む、燃焼装置。
［７］ 前記燃焼炉がリジェネレーティブバーナを備える、［６］に記載の燃焼装置。
［１］ アンモニア及び水素を含有する燃料の製造装置であって、
熱媒体との熱交換により、液化アンモニアからアンモニアガスを生成するための気化部と、
前記気化部に接続され、前記アンモニアガスの少なくとも一部を分解反応に供することによって水素含有ガスを生成するための分解反応部と、
下記する第１熱交換部及び第２熱交換部からなる群より選択される少なくとも１つと、
を含む、製造装置。
第１熱交換部：前記燃料の燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体と、前記分解反応部との間で熱交換を行うための熱交換部
第２熱交換部：前記燃料の燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体と、前記熱媒体との間で熱交換を行うための熱交換部
［２］ 前記分解反応部において、前記アンモニアガスの一部から前記水素含有ガスが生成され、
前記製造装置は、前記アンモニアガスの残部と前記水素含有ガスとを混合して、前記燃料を生成するための混合部をさらに含む、［１］に記載の製造装置。
［３］ 前記アンモニアガスの全部が前記分解反応部に導入されることにより前記水素含有ガスが生成され、
前記水素含有ガスが前記燃料である、［１］に記載の製造装置。
［４］ 前記第１熱交換部及び前記第２熱交換部の両方を含む、［１］に記載の製造装置。
［５］ 前記第１熱交換部と前記第２熱交換部とは、前記帯熱媒体を流通させるための流路で接続されており、
前記第２熱交換部で熱交換される帯熱媒体は、前記第１熱交換部で熱交換された後の帯熱媒体である、［４］に記載の製造装置。
［６］ ［１］～［５］のいずれかに記載の製造装置と、
前記製造装置によって製造される前記燃料を燃焼させるための燃焼炉と、
を含む、燃焼装置。
［７］ 前記燃焼炉がリジェネレーティブバーナを備える、［６］に記載の燃焼装置。
【発明の効果】
【0009】
アンモニア及び水素を含有する燃料の製造装置であって、燃料製造の省エネルギー化が可能な製造装置、並びに、該製造装置を含む燃焼装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の第１実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。
【図2】リジェネレーティブバーナの動作を説明する図である。
【図3】リジェネレーティブバーナの動作を説明する図である。
【図4】本発明の第２実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。
【図5】本発明の第３実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。
【図6】本発明の第４実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。
【図7】本発明の第５実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。
【図8】本発明の第６実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を、図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置は、下記の実施形態に限定されるものではない。
【0012】
＜第１実施形態＞
（１）燃料の製造装置
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。図１に示される燃料の製造装置１０は、アンモニア及び水素を含有する燃料（以下、単に「燃料」ともいう。）Ｘを製造するための装置である。
（１）燃料の製造装置
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。図１に示される燃料の製造装置１０は、アンモニア及び水素を含有する燃料（以下、単に「燃料」ともいう。）Ｘを製造するための装置である。
【0013】
製造装置１０は、熱媒体Ｑとの熱交換により、液化アンモニア１０１からアンモニア（ＮＨ３）ガスＹを生成するための気化部１０３；気化部１０３に接続され、生成したＮＨ３ガスＹの少なくとも一部を分解反応に供することによって水素（Ｈ２）含有ガスＺ１を生成するための分解反応部１０５；製造された燃料Ｘの燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体Ｖと、分解反応部１０５との間で熱交換を行うための第１熱交換部１０６；製造された燃料Ｘの燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体Ｖと、熱媒体Ｑとの間で熱交換を行うための第２熱交換部１０８を含む。
本明細書において、「製造された燃料Ｘの燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体Ｖ」とは、製造された燃料Ｘの燃焼によって生じる、熱を帯びた排ガス、又は、該排ガスとの熱交換によって熱を帯びた媒体を意味する。本実施形態において、帯熱媒体Ｖは、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスである。
本明細書において、「製造された燃料Ｘの燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体Ｖ」とは、製造された燃料Ｘの燃焼によって生じる、熱を帯びた排ガス、又は、該排ガスとの熱交換によって熱を帯びた媒体を意味する。本実施形態において、帯熱媒体Ｖは、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスである。
【0014】
分解反応部１０５は、ＮＨ３ガスＹの分解反応を触媒する触媒充填部を備える。本実施形態では、気化部１０３で生成したＮＨ３ガスＹの一部が分解反応部１０５の触媒充填部に導入され、分解反応に供される。分解反応によってＨ２含有ガスＺ１が生成される。Ｈ２含有ガスＺ１は、Ｈ２ガス及び窒素（Ｎ２）ガスを含有し、さらにＮＨ３ガスを含有していてもよい。触媒充填部に導入されたＮＨ３ガスＹが完全に分解する場合、生成されるＨ２含有ガスＺ１は、ＮＨ３ガスを含有せず、理論上、Ｈ２とＮ２とのモル比が３：１のＨ２／Ｎ２混合ガスである。
【0015】
触媒充填部に充填されるアンモニア分解触媒としては、例えば、Ｒｕ系触媒、Ｎｉ系触媒、Ｆｅ系触媒、Ｃｏ系触媒等が挙げられる。１種又は２種以上の触媒を用いてもよい。アンモニア分解触媒は、低温でも分解能力が高い触媒であることが好ましい。
【0016】
アンモニア分解触媒としては、具体的には、金属Ｒｕ、金属Ｎｉ、ＮｉＯ等のＮｉ化合物、金属Ｆｅ、Ｆｅ２Ｏ３、Ｆｅ３Ｏ４等のＦｅ化合物、金属Ｃｏ、ＣｏＯ等のＣｏ化合物等が挙げられる。アンモニア分解触媒は、上記触媒を担体に担持させたものであってもよい。担体としては、例えば、ＭｇＯ、活性炭、ＭｇＺｒＯ３、ＢＮ等が挙げられる。
【0017】
第１熱交換部１０６は、ＮＨ３ガスＹの流路を形成している触媒充填部の周囲を包囲する、帯熱媒体Ｖを流通させるための流路であってよい。該流路に帯熱媒体Ｖを流通させて熱交換を行うことにより、触媒充填部に熱エネルギーを与えることができ、これによって触媒充填部が昇温されるため、ＮＨ３ガスＹの分解反応を開始又は促進させることができる。
【0018】
分解反応部１０５は、第１熱交換部１０６に加えて、触媒充填部を加熱するための加熱手段１２０をさらに備えていてもよい。
加熱手段１２０としては、例えば、ヒータ、スチーム、バーナ等が挙げられる。また、加熱手段１２０は、燃料Ｘの燃焼又は熱分解によって生じる熱を、分解反応部との間で熱交換するための熱交換器であってもよい。
加熱手段１２０としては、例えば、ヒータ、スチーム、バーナ等が挙げられる。また、加熱手段１２０は、燃料Ｘの燃焼又は熱分解によって生じる熱を、分解反応部との間で熱交換するための熱交換器であってもよい。
【0019】
第２熱交換部１０８は、帯熱媒体Ｖと熱媒体Ｑとの間で熱交換を行うための熱交換部である。熱媒体Ｑは、気化部１０３において液化アンモニア１０１に熱エネルギーを与えてＮＨ３ガスＹを生成させる。第２熱交換部１０８では、上記熱交換により熱媒体Ｑが昇温される。熱媒体Ｑとしては、例えば、水（例えば蒸気）等が挙げられる。
【0020】
本実施形態の製造装置は、混合部１１０をさらに含む。混合部１１０において、気化部１０３で生成したＮＨ３ガスＹの残部（分解反応部１０５に導入されないＮＨ３ガスＹ）と、分解反応部１０５から導出されたＨ２含有ガスＺ１とが混合されることにより、燃料Ｘが得られる。燃料Ｘは、ＮＨ３ガス、Ｈ２ガス及びＮ２ガスを含有する。
【0021】
混合部１１０としては、例えば、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）や、特開平１１－０７６７８９号公報に記載のガス混合器等を用いることができる。これらの混合器を用いることにより、ＮＨ３ガスＹとＨ２含有ガスＺ１との混合比率及び得られる燃料Ｘの流量を調整することができる。
【0022】
本実施形態の製造装置１０は、第１熱交換部１０６及び第２熱交換部１０８の両方を含む。図１に示されるように、製造装置１０は、燃料Ｘの燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体Ｖを第１熱交換部１０６へ導入するための第１流路１４０、及び、第１熱交換部１０６と第２熱交換部１０８とを接続する、帯熱媒体Ｖを流通させるための第２流路１５０を有する。帯熱媒体Ｖを第１流路１４０により第１熱交換部１０６へ導入し、次いで、第２流路１５０により第２熱交換部１０８へ導入することにより、帯熱媒体Ｖを、触媒充填部を加熱するための熱源及び熱媒体Ｑを加熱するための熱源として利用することができる。この場合、第２熱交換部１０８で熱交換される帯熱媒体Ｖは、第１熱交換部１０６で熱交換された後の帯熱媒体である。
【0023】
図１に示されるように、製造装置１０は、第１熱交換部１０６よりも上流において第１流路１４０から分岐する第３流路１６０と、第３流路１６０に接続されるとともに、第１熱交換部１０６及び第４熱交換部１０９を介することなく第２熱交換部１０８よりも上流において第２流路１５０に接続される第４流路１７０とで構成される第１バイパス流路を有していてもよい。第１バイパス流路を流通する帯熱媒体Ｖは、第１熱交換部１０６及び第４熱交換部１０９を通ることなく、熱媒体Ｑを加熱するための熱源としてのみ利用することができる。第４熱交換部１０９については後述する。
【0024】
また、図１に示されるように、製造装置１０は、第１熱交換部１０６よりも上流において第１流路１４０から分岐する第３流路１６０と、第３流路１６０に接続されるとともに、第１熱交換部１０６を介することなく第４熱交換部１０９よりも上流において第２流路１５０に接続される第５流路１８０とで構成される第２バイパス流路を有していてもよい。第２バイパス流路を流通する帯熱媒体Ｖは、第１熱交換部１０６を通ることなく、混合部１１０において混合されることとなるＮＨ３ガスＹを加熱するための熱源（製造装置１０が第４熱交換部１０９を有する場合）、及び、熱媒体Ｑを加熱するための熱源としてのみ利用することができる。
【0025】
製造装置１０は、第１バイパス流路及び第２バイパス流路のいずれか一方を有していてもよく、両方を有していてもよい。製造装置１０は、切替バルブ等を備えることにより、帯熱媒体Ｖの流通経路を、第１流路１４０及び第２流路１５０からなる第１熱交換部１０６を通る流路と、第１バイパス流路との間、さらには、第１熱交換部１０６を通る流路と、第１バイパス流路と、第２バイパス流路との間で切り替えることができるように構成されていてもよい。
【0026】
上記のように、本実施形態では、燃料Ｘの燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体Ｖを、分解反応部１０５におけるアンモニア分解反応のための熱源、及び、熱媒体Ｑを加熱するための熱源の少なくとも１つとして有効利用する。これにより、燃料Ｘの燃焼によって生じる熱エネルギーを有効利用することができるため、燃料製造の省エネルギー化を図ることができる。
【0027】
本実施形態の製造装置１０は、帯熱媒体Ｖを、少なくとも分解反応部１０５におけるアンモニア分解反応のための熱源として利用するものであることが好ましく、分解反応部１０５におけるアンモニア分解反応のための熱源、及び、熱媒体Ｑを加熱するための熱源として利用するものであることがより好ましい。
【0028】
このために、製造装置１０は、帯熱媒体Ｖを第１熱交換部１０６へ導入するための第１流路１４０を少なくとも有することが好ましく、第１熱交換部１０６と第２熱交換部１０８とを接続する第２流路１５０をさらに有することがより好ましい。上述のように、製造装置１０は、第１バイパス流路及び第２バイパス流路をさらに有することができる。
【0029】
製造装置１０による燃料の製造についてより具体的に説明する。
まず、液化アンモニア１０１を圧縮機１０２によって圧縮した後、気化部１０３に導入して、ＮＨ３ガスＹを生成させる。次に、気化部１０３で生成したＮＨ３ガスＹをガスホルダ１０４に導入した後、その一部を分解反応部１０５に導入して、分解反応に供する。これにより、Ｈ２含有ガスＺ１が生成する。分解反応部１０５に導入されることとなるＮＨ３ガスＹは、第３熱交換部１０７での熱交換により加熱されることが好ましい。第３熱交換部１０７は、分解反応部１０５に導入されることとなるＮＨ３ガスＹと、分解反応部１０５から導出されたＨ２含有ガスＺ１との間で熱交換を行うための熱交換部である。分解反応部１０５に導入されることとなるＮＨ３ガスＹを第３熱交換部１０７での熱交換によって加熱することにより、触媒充填部内の温度を高く維持することが可能になって分解反応の効率化を図ることができるとともに、アンモニア分解反応のために供給されるべき帯熱媒体Ｖ及び／又は加熱手段１２０からの熱エネルギー量を削減することができ、燃料製造のさらなる省エネルギー化を図ることができる。
まず、液化アンモニア１０１を圧縮機１０２によって圧縮した後、気化部１０３に導入して、ＮＨ３ガスＹを生成させる。次に、気化部１０３で生成したＮＨ３ガスＹをガスホルダ１０４に導入した後、その一部を分解反応部１０５に導入して、分解反応に供する。これにより、Ｈ２含有ガスＺ１が生成する。分解反応部１０５に導入されることとなるＮＨ３ガスＹは、第３熱交換部１０７での熱交換により加熱されることが好ましい。第３熱交換部１０７は、分解反応部１０５に導入されることとなるＮＨ３ガスＹと、分解反応部１０５から導出されたＨ２含有ガスＺ１との間で熱交換を行うための熱交換部である。分解反応部１０５に導入されることとなるＮＨ３ガスＹを第３熱交換部１０７での熱交換によって加熱することにより、触媒充填部内の温度を高く維持することが可能になって分解反応の効率化を図ることができるとともに、アンモニア分解反応のために供給されるべき帯熱媒体Ｖ及び／又は加熱手段１２０からの熱エネルギー量を削減することができ、燃料製造のさらなる省エネルギー化を図ることができる。
【0030】
気化部１０３で生成したＮＨ３ガスＹの全量に対する分解反応部１０５に導入されるＮＨ３ガスＹ量の比率は、製造する燃料Ｘ中の所望するＮＨ３含有率及びＨ２含有率等に応じて調整されることが好ましい。
【0031】
燃料Ｘ中のＮＨ３含有率とＨ２含有率との比（ＮＨ３／Ｈ２）は、モル比で、例えば１～１０／１（例えば４／１）である。
【0032】
分解反応部１０５に導入されたＮＨ３ガスＹは、上記化学式に従って、Ｈ２とＮ２（モル比３：１）とに完全に分解されることが好ましいが、不完全に、すなわち部分的に分解されてもよい。本明細書において、完全に分解されるとは、分解反応部１０５に導入されたＮＨ３ガスＹの９０モル％～１００モル％が分解されることをいい、好ましくは、９５～１００モル％が分解される。また、本明細書において、不完全に分解されるとは、分解反応部１０５に導入されたＮＨ３ガスＹの０モル％超９０モル％未満が分解されることをいう。分解反応の反応率（ＮＨ３ガスＹの分解率）は、第１熱交換部１０６に導入される帯熱媒体Ｖの温度及び／又は流量によって調整することができる。
【0033】
分解反応部１０５でのアンモニア分解反応に必要な熱エネルギーは、上述のように、燃料Ｘの燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体Ｖとの第１熱交換部１０６における熱交換によって供給することができる。帯熱媒体Ｖが供給できる熱エネルギーがアンモニア分解反応には不十分であるか若しくはアンモニア分解反応のための熱エネルギーとして帯熱媒体Ｖを利用できない場合（例えば、燃焼炉の稼働初期など、帯熱媒体Ｖの温度が低い場合）又は、アンモニア分解反応のための熱エネルギーとして帯熱媒体Ｖを利用しない場合（例えば、製造装置が第１熱交換部１０６を有しない場合）等においては、加熱手段１２０を利用するか又は併用してもよい。
【0034】
生成したＨ２含有ガスＺ１は、分解反応部１０５に導入されなかったＮＨ３ガスＹの残部と混合部１１０において混合される。これにより、ＮＨ３ガス及びＨ２ガス（さらにＮ２ガス）を含有する燃料Ｘを得る。ＮＨ３ガスＹとＨ２含有ガスＺ１との混合比率は、製造する燃料Ｘ中の所望するＮＨ３含有率及びＨ２含有率等に応じて調整されることが好ましい。なお、燃焼炉の稼働初期など、混合部１１０にＮＨ３ガスＹが導入されず、Ｈ２含有ガスＺ１のみが導入される時期が存在していてもよい。
【0035】
混合部１１０において混合されることとなるＮＨ３ガスＹは、第４熱交換部１０９での熱交換により加熱されることが好ましい。第４熱交換部１０９は、混合部１１０において混合されることとなるＮＨ３ガスＹと、第２流路１５０を流通する帯熱媒体Ｖとの間で熱交換を行うための熱交換部である。混合部１１０において混合されることとなるＮＨ３ガスＹを第４熱交換部１０９での熱交換により加熱することにより、燃焼炉２０１内の温度を高く維持することができる。
【0036】
帯熱媒体Ｖの熱源としての利用についてさらに説明する。燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスである帯熱媒体Ｖは、例えば第１ガスブロワ２０４ａを用いて第１流路１４０を流通させることによって第１熱交換部１０６へ導入することができる。これにより、帯熱媒体Ｖが有する熱エネルギーの少なくとも一部が分解反応部１０５でのアンモニア分解反応のための熱源として有効利用される。第１熱交換部１０６で熱交換された後の帯熱媒体Ｖは、第２流路１５０を通して、第４熱交換部１０９に導入されて、混合部１１０において混合されることとなるＮＨ３ガスＹを加熱するための熱源（製造装置１０が第４熱交換部１０９を有する場合）として有効利用されてもよく、さらには、第２熱交換部１０８へ導入されて、熱媒体Ｑを加熱するための熱源として有効利用されてもよい。これにより、燃料製造のさらなる省エネルギー化を図ることができる。
【0037】
なお、図１に示される例において、第２熱交換部１０８から排出される排ガス１１２は、従来公知の排ガス処理装置１１３を用いて処理（無害化、中和等）されてよい。排ガス１１２は、例えば、ＮＯ、ＮＯ２、Ｎ２Ｏ、Ｎ２、ＮＨ３、Ｏ２、水等を含有し得る。
【0038】
上述のように、製造装置１０は、第１流路１４０及び第２流路１５０からなる第１熱交換部１０６を通る流路に加えて、第１バイパス流路及び第２バイパス流路のいずれか一方又は両方をさらに有していてもよい。これにより、アンモニア分解反応のための熱源、熱媒体Ｑを加熱するための熱源、及び混合部１１０において混合されることとなるＮＨ３ガスＹを加熱するための熱源（製造装置１０が第４熱交換部１０９を有する場合）として帯熱媒体Ｖを利用すること（帯熱媒体Ｖの第１利用）と、熱媒体Ｑを加熱するための熱源としてのみ帯熱媒体Ｖを利用すること（帯熱媒体Ｖの第２利用）ととの切り替えが可能となり、さらには、帯熱媒体Ｖの第１利用と、帯熱媒体Ｖの第２利用と、熱媒体Ｑを加熱するための熱源、及び混合部１１０において混合されることとなるＮＨ３ガスＹを加熱するための熱源（製造装置１０が第４熱交換部１０９を有する場合）として帯熱媒体Ｖを利用すること（帯熱媒体Ｖの第３利用）との切り替えが可能となる。
【0039】
例えば、燃焼炉２０１の稼働初期など、帯熱媒体Ｖの温度が比較的低い場合（例えば３５０℃未満又は３００℃未満）には、帯熱媒体Ｖをアンモニア分解反応のための熱源としては使用せずに第１バイパス流路又は第２バイパス流路に通し、一方、帯熱媒体Ｖの温度が十分に高い場合や高くなった場合（例えば３００℃以上又は３５０℃以上）には、帯熱媒体Ｖを少なくともアンモニア分解反応のための熱源として利用するために、帯熱媒体Ｖを第１流路１４０及び第２流路１５０からなる第１熱交換部１０６を通る流路に通す、という切り替えを行ってもよい。
【0040】
帯熱媒体Ｖの温度は、温度センサにより検出することができる。温度センサは、例えば第１熱交換部１０６の上流側に設置される。製造装置１０は、触媒充填部の温度を検出する温度センサをさらに有していてもよい。上記切り替えは、例えば、第１熱交換部１０６の上流側に設置された温度センサの検出結果に基づき、第１流路１４０及び第３流路１６０に設置された電磁弁等を制御することにより行うことができる。
【0041】
燃料Ｘの燃焼によって生じた排ガスであって、製造装置１０に供給される帯熱媒体Ｖの温度は、例えば２００℃～１５００℃であり得、２５０℃以上、３００℃以上、又は３５０℃以上であってもよい。該温度は、１２００℃以下、１０００℃以下、９５０℃以下、９００℃以下、又は８５０℃以下であってもよい。
【0042】
帯熱媒体Ｖが第１熱交換部１０６においてアンモニア分解反応のための熱源として利用される場合、第１熱交換部１０６に導入される帯熱媒体Ｖの温度は、好ましくは２５０℃以上、より好ましくは３００℃以上、さらに好ましくは３５０℃以上である。ＮＨ３ガスＹの分解率を高くするため（例えば分解反応部１０５に導入されたＮＨ３ガスＹを完全に分解させるため）には、第１熱交換部１０６に導入される帯熱媒体Ｖの温度を高くすることが好ましく、例えば６００℃以上であることが好ましく、６５０℃以上、７００℃以上、７５０℃以上、８００℃以上又は８５０℃以上であってもよい。
【0043】
触媒充填部の温度は、触媒充填部に温度センサを設置することよって検出することができる。例えば、第１熱交換部１０６の上流側と触媒充填部とに温度センサを設置し、第１流路１４０及び第３流路１６０に設置された電磁弁等により第１熱交換部１０６へ導入される帯熱媒体Ｖの流量を調整することによって触媒充填部の温度を制御することができる。
【0044】
帯熱媒体Ｖが第２熱交換部１０８において熱媒体Ｑを加熱するための熱源として利用される場合、第２熱交換部１０８に導入される帯熱媒体Ｖの温度は、例えば５０℃以上、好ましくは１００℃以上であり、５００℃以下、４００℃以下、３００℃以下、又は２００℃以下であってもよい。第２熱交換部１０８へ導入される帯熱媒体Ｖの流量を調整することにより、熱媒体Ｑに供給される熱エネルギー量が調整されてもよい。
【0045】
（変形例）
本実施形態の製造装置１０に対して、例えば以下のような変形を行ってもよい。
［ａ］製造装置１０は、第１熱交換部１０５を有し、第２熱交換部１０８を有していなくてもよい。
［ｂ］製造装置１０は、第３熱交換部１０７及び／又は第４熱交換部１０９を有していなくてもよい。
［ｃ］製造装置１０は、第１バイパス流路及び第２バイパス流路の少なくとも一方を有し、第１流路１４０及び第１熱交換部１０６を有していなくてもよい。
本実施形態の製造装置１０に対して、例えば以下のような変形を行ってもよい。
［ａ］製造装置１０は、第１熱交換部１０５を有し、第２熱交換部１０８を有していなくてもよい。
［ｂ］製造装置１０は、第３熱交換部１０７及び／又は第４熱交換部１０９を有していなくてもよい。
［ｃ］製造装置１０は、第１バイパス流路及び第２バイパス流路の少なくとも一方を有し、第１流路１４０及び第１熱交換部１０６を有していなくてもよい。
【0046】
（省エネルギー効果）
製造装置１０による燃料製造の省エネルギー効果は、下記を前提条件として、系全体の熱エネルギーの約８％と計算される。
製造装置１０による燃料製造の省エネルギー効果は、下記を前提条件として、系全体の熱エネルギーの約８％と計算される。
【0047】
前提条件：
・気化部１０３によって生成されるＮＨ３ガスＹの流量は５００ｋｇ／ｈ
・液体アンモニアは常温で貯蔵され、気化部１０３でガス化（４０℃）される。
・このうち、５０ｋｇ／ｈのＮＨ３ガスＹが分解反応部１０５に導入され、１００モル％分解されて、Ｈ２とＮ２とのモル比が３：１のＨ２／Ｎ２混合ガスであるＨ２含有ガスＺ１が生成する。
・４５０ｋｇ／ｈの残部のＮＨ３ガスＹとＨ２含有ガスＺ１とは、混合部１１０において混合され、燃料Ｘが生成する。燃料Ｘ中のＮＨ３含有率とＨ２含有率との比（ＮＨ３／Ｈ２）は、モル比で４／１である。
・製造装置１０を含む燃焼装置の総運転時間は１８時間（うち３時間は昇温、１５時間は燃焼が安定した定常状態）
・帯熱媒体Ｖを、アンモニア分解反応のための熱源及び熱媒体Ｑを加熱するための熱源として利用する。
・気化部１０３によって生成されるＮＨ３ガスＹの流量は５００ｋｇ／ｈ
・液体アンモニアは常温で貯蔵され、気化部１０３でガス化（４０℃）される。
・このうち、５０ｋｇ／ｈのＮＨ３ガスＹが分解反応部１０５に導入され、１００モル％分解されて、Ｈ２とＮ２とのモル比が３：１のＨ２／Ｎ２混合ガスであるＨ２含有ガスＺ１が生成する。
・４５０ｋｇ／ｈの残部のＮＨ３ガスＹとＨ２含有ガスＺ１とは、混合部１１０において混合され、燃料Ｘが生成する。燃料Ｘ中のＮＨ３含有率とＨ２含有率との比（ＮＨ３／Ｈ２）は、モル比で４／１である。
・製造装置１０を含む燃焼装置の総運転時間は１８時間（うち３時間は昇温、１５時間は燃焼が安定した定常状態）
・帯熱媒体Ｖを、アンモニア分解反応のための熱源及び熱媒体Ｑを加熱するための熱源として利用する。
【0048】
アンモニアの物性値：
低位発熱量 １８．６ＭＪ／ｋｇ
蒸発潜熱 １７３２ｋＪ／ｋｇ
比熱 ４．８２ｋＪ／ｋｇ
低位発熱量 １８．６ＭＪ／ｋｇ
蒸発潜熱 １７３２ｋＪ／ｋｇ
比熱 ４．８２ｋＪ／ｋｇ
【0049】
水素の物性値：
低位発熱量 １２０ＭＪ／ｋｇ
蒸発潜熱 ４４９ｋＪ／ｋｇ
比熱 １３．８ｋＪ／ｋｇ
低位発熱量 １２０ＭＪ／ｋｇ
蒸発潜熱 ４４９ｋＪ／ｋｇ
比熱 １３．８ｋＪ／ｋｇ
【0050】
省エネルギー効果の算出：
気化部１０３で消費される１時間当たりの熱量は、上記前提条件及び物性値から、以下の式（１）より９０２ＭＪ／ｈと算出される。
５００ｋｇ／ｈ×１７３２ｋＪ／ｋｇ＋５００ｋｇ／ｈ×４．８２ｋＪ／ｋｇ
＝９０２×１０３ｋＪ／ｈ
≒９０２ ＭＪ／ｈ・・・式（１）
気化部１０３で消費される１時間当たりの熱量は、上記前提条件及び物性値から、以下の式（１）より９０２ＭＪ／ｈと算出される。
５００ｋｇ／ｈ×１７３２ｋＪ／ｋｇ＋５００ｋｇ／ｈ×４．８２ｋＪ／ｋｇ
＝９０２×１０３ｋＪ／ｈ
≒９０２ ＭＪ／ｈ・・・式（１）
【0051】
同様に、製造装置１０で消費される１時間当たりの熱量は、上記前提条件、物性値及び下記分子量から、以下の式（２）より９４１２ＭＪ／ｈと算出される。
・アンモニアの分子量：１７．３０１ｇ／ｍｏｌ
・水素の分子量 ：２ｇ／ｍｏｌ
４５０ｋｇ／ｈ×１８．６ＭＪ／ｋｇ＋３／２×５０ｋｇ／ｈ÷１７．３０１ｇ／ｍｏｌ×２ｇ／ｍｏｌ×１２０ ＭＪ／ｋｇ
＝８３７０ＭＪ／ｈ＋１０４２ＭＪ／ｈ
＝９４１２ＭＪ／ｈ・・・式（２）
・アンモニアの分子量：１７．３０１ｇ／ｍｏｌ
・水素の分子量 ：２ｇ／ｍｏｌ
４５０ｋｇ／ｈ×１８．６ＭＪ／ｋｇ＋３／２×５０ｋｇ／ｈ÷１７．３０１ｇ／ｍｏｌ×２ｇ／ｍｏｌ×１２０ ＭＪ／ｋｇ
＝８３７０ＭＪ／ｈ＋１０４２ＭＪ／ｈ
＝９４１２ＭＪ／ｈ・・・式（２）
【0052】
さらに、分解反応部１０５で消費される１時間当たりの熱量は、上記前提条件、物性値、及び、アンモニア分解に必要な最低エネルギーが４６ｋＪ／ｍｏｌであることから、以下の式（３）より１３５．２ＭＪ／ｈと算出される。
５０ｋｇ／ｈ÷１７．３０１ｇ／ｍｏｌ×４６ｋＪ／ｍｏｌ
＝１３５．２ＭＪ／ｈ・・・式（３）
５０ｋｇ／ｈ÷１７．３０１ｇ／ｍｏｌ×４６ｋＪ／ｍｏｌ
＝１３５．２ＭＪ／ｈ・・・式（３）
【0053】
以上から、系全体での１時間当たりの熱エネルギー量は、式（１）、（２）及び（３）から、以下の式（４）で算出される。
９０２ＭＪ／ｈ＋９４１２ＭＪ／ｈ＋１３５ＭＪ／ｈ
＝１０４４７ＭＪ／ｈ・・・式（４）
９０２ＭＪ／ｈ＋９４１２ＭＪ／ｈ＋１３５ＭＪ／ｈ
＝１０４４７ＭＪ／ｈ・・・式（４）
【0054】
製造装置１０を含む燃焼装置の総運転時間１８時間のうち、燃焼が安定する１５時間の気化部１０３及び分解反応部１０５に要する熱量を燃焼によって生じる帯熱媒体Ｖで賄うことができるため、以下の式（５）より１５５５５ＭＪの熱量を削減できる。
（９０２ＭＪ／ｈ＋１３５ＭＪ／ｈ）×１５ｈ
＝１５５５５ＭＪ・・・式（５）
（９０２ＭＪ／ｈ＋１３５ＭＪ／ｈ）×１５ｈ
＝１５５５５ＭＪ・・・式（５）
【0055】
以上から、以下の式（６）より、帯熱媒体Ｖの利用により系全体の熱エネルギーに対して８％の熱エネルギーを削減できる。
１５５５５ＭＪ／（１０４４７ＭＪ／ｈ×１８ｈ）×１００％
＝８％・・・式（６）
１５５５５ＭＪ／（１０４４７ＭＪ／ｈ×１８ｈ）×１００％
＝８％・・・式（６）
【0056】
（２）燃焼装置
図１を参照して、本実施形態の燃焼装置２０は、上記の製造装置１０と、製造装置１０によって製造される燃料Ｘを燃焼させるための燃焼炉２０１とを含む。燃焼炉２０１は、燃料Ｘを燃焼させるバーナ２０２を備える。燃料Ｘの燃焼にあたっては、通常、燃料Ｘとともに空気もバーナ２０２に導入される。本実施形態では、混合部１１０で生成された燃料Ｘがバーナ２０２に供給される。燃焼炉２０１で生じた帯熱媒体Ｖは、バーナ２０２を通して、例えば第１ガスブロワ２０４ａを用いて製造装置１０内に供給され、有効利用される。
図１を参照して、本実施形態の燃焼装置２０は、上記の製造装置１０と、製造装置１０によって製造される燃料Ｘを燃焼させるための燃焼炉２０１とを含む。燃焼炉２０１は、燃料Ｘを燃焼させるバーナ２０２を備える。燃料Ｘの燃焼にあたっては、通常、燃料Ｘとともに空気もバーナ２０２に導入される。本実施形態では、混合部１１０で生成された燃料Ｘがバーナ２０２に供給される。燃焼炉２０１で生じた帯熱媒体Ｖは、バーナ２０２を通して、例えば第１ガスブロワ２０４ａを用いて製造装置１０内に供給され、有効利用される。
【0057】
【0058】
リジェネレーティブバーナは、第１バーナ２０２ａ及び第２バーナ２０２ｂを含み、これらのバーナはそれぞれ、第１蓄熱体（レキュペレータ）３０１、第２蓄熱体３０２を備える。また、リジェネレーティブバーナは、第１バーナ２０２ａ用の燃料供給口３０５ａ、３０５ｂと、第２バーナ２０２ｂ用の燃料供給口３０５ｃ、３０５ｄとを備える。
【0059】
切替バルブ３０３が図２の状態にあるときに、空気Ａ１を第１バーナ２０２ａに導入すると、空気Ａ１は、蓄熱状態にある第１蓄熱体３０１を通過することによって予熱される。燃料供給口３０５ａ、３０５ｂから燃焼炉２０１に供給される燃料を、予熱された空気Ａ２とともに燃焼させる（３０４ａは火炎を表す）。上記燃料として、製造装置１０で製造された燃料Ｘを用いることができる。この燃焼によって生じる排ガス３０６ａを、第２バーナ２０２ｂを通して排出させる際、第２蓄熱体３０２は、排ガス３０６ａの熱を吸収して蓄熱状態となる。切替バルブ３０３を通して排出された排ガスは、上述の帯熱媒体Ｖとして用いることができる。すなわち、バーナ２０２がリジェネレーティブバーナであるとき、製造装置１０において利用される帯熱媒体Ｖは、燃焼炉２０１において燃料Ｘの燃焼で生じた排ガスであり、より具体的には、該排ガスが有する熱の一部が第１蓄熱体３０１又は第２蓄熱体３０２によって吸収された後の帯熱排ガスである。
【0060】
次に、切替バルブ３０３を図３の状態に切り替え、空気Ａ１を第２バーナ２０２ｂに導入すると、空気Ａ１は、排ガス３０６ａにより蓄熱状態となった第２蓄熱体３０２を通過することによって予熱される。燃料供給口３０５ｃ、３０５ｄから燃焼炉２０１に供給される燃料を、予熱された空気Ａ２とともに燃焼させる（３０４ｂは火炎を表す）。上記燃料として、製造装置１０で製造された燃料Ｘを用いることができる。この燃焼によって生じる排ガス３０６ｂを、第１バーナ２０２ａを通して排出させる際、第１蓄熱体３０１は、排ガス３０６ｂの熱を吸収して蓄熱状態となる。
【0061】
蓄熱体を備えるリジェネレーティブバーナを用い、切替バルブ３０３による上記切替を行うことにより、燃料を燃焼したときに生じる排ガスの熱を、燃焼用空気を加熱するための熱源として有効利用できるため、燃焼装置２０としてのさらなる省エネルギー化を図ることができるともに、燃焼炉２０１内の温度を高く維持することができるため、燃焼効率を高めることができる。
【0062】
第１蓄熱体３０１及び第２蓄熱体３０２としては、従来公知のものを用いることができる。第１蓄熱体３０１及び第２蓄熱体３０２の形状としては、例えば、ボール形状、ハニカム形状等が挙げられる。第１蓄熱体３０１及び第２蓄熱体３０２の材質としては、例えば、アルミナ、コージェライト、炭化ケイ素等が挙げられる。
【0063】
リジェネレーティブバーナを用いる場合、第１蓄熱体３０１及び第２蓄熱体３０２の形状、サイズ又は材質等の調整により、第１バーナ２０２ａ及び第２バーナ２０２ｂから排出される帯熱媒体Ｖの温度を制御し得る。
【0064】
＜第２実施形態＞
（１）燃料の製造装置
図４は、本発明の第２実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。図４に示される燃料の製造装置１１は、熱媒体Ｑとの熱交換により、液化アンモニア１０１からＮＨ３ガスＹを生成するための気化部１０３；気化部１０３に接続され、生成したＮＨ３ガスＹを分解反応に供することによってＨ２含有ガスＺ２を生成するための分解反応部１０５；製造された燃料Ｘの燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体Ｖと、分解反応部１０５との間で熱交換を行うための第１熱交換部１０６；製造された燃料Ｘの燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体Ｖと、熱媒体Ｑとの間で熱交換を行うための第２熱交換部１０８を含む。本実施形態において、帯熱媒体Ｖは、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスである。
（１）燃料の製造装置
図４は、本発明の第２実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。図４に示される燃料の製造装置１１は、熱媒体Ｑとの熱交換により、液化アンモニア１０１からＮＨ３ガスＹを生成するための気化部１０３；気化部１０３に接続され、生成したＮＨ３ガスＹを分解反応に供することによってＨ２含有ガスＺ２を生成するための分解反応部１０５；製造された燃料Ｘの燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体Ｖと、分解反応部１０５との間で熱交換を行うための第１熱交換部１０６；製造された燃料Ｘの燃焼によって生じる熱を含む帯熱媒体Ｖと、熱媒体Ｑとの間で熱交換を行うための第２熱交換部１０８を含む。本実施形態において、帯熱媒体Ｖは、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスである。
【0065】
以下、主に第１実施形態との相違点を中心に、第２実施形態についてより詳細に説明する。下記説明以外の点については、第１実施形態に係る記述が引用される。変形例についても第１実施形態に係る記述が引用される。
【0066】
本実施形態では、気化部１０３で生成したＮＨ３ガスＹの全部が分解反応部１０５の触媒充填部に導入され、分解反応に供される。分解反応によってＮＨ３ガスＹは不完全に（部分的に）分解され、Ｈ２含有ガスＺ２が生成される。Ｈ２含有ガスＺ２は、ＮＨ３ガス、Ｈ２ガス及びＮ２ガスを含有する。本実施形態では、このＨ２含有ガスＺ２が燃料Ｘである（Ｚ２＝Ｘ）。分解反応の反応率（ＮＨ３ガスＹの分解率）は、第１熱交換部１０６に導入される帯熱媒体Ｖの温度及び／又は流量によって調整することができる。バーナ２０２に供給される燃料Ｘの流量は、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）等を用いて調整することができる。
【0067】
Ｈ２含有ガスＺ２（＝燃料Ｘ）中のＮＨ３含有率とＨ２含有率との比（ＮＨ３／Ｈ２）は、モル比で、例えば１～１０／１（例えば４／１）である。
【0068】
製造装置１１による燃料の製造についてより具体的に説明する。
まず、液化アンモニア１０１を圧縮機１０２によって圧縮した後、気化部１０３に導入して、ＮＨ３ガスＹを生成させる。次に、気化部１０３で生成したＮＨ３ガスＹをガスホルダ１０４に導入した後、その全部を分解反応部１０５に導入して、分解反応に供する。これにより、Ｈ２含有ガスＺ２が生成する。分解反応部１０５に導入されることとなるＮＨ３ガスＹは、第３熱交換部１０７’での熱交換により加熱されることが好ましい。第３熱交換部１０７’は、分解反応部１０５に導入されることとなるＮＨ３ガスＹと、分解反応部１０５から導出されたＨ２含有ガスＺ２（燃料Ｘ）との間で熱交換を行うための熱交換部である。分解反応部１０５に導入されることとなるＮＨ３ガスＹを第３熱交換部１０７’での熱交換により加熱することにより、触媒充填部内の温度を高く維持することが可能になって分解反応の効率化を図ることができるとともに、アンモニア分解反応のために供給されるべき帯熱媒体Ｖ及び／又は加熱手段１２０からの熱エネルギー量を削減することができ、燃料製造のさらなる省エネルギー化を図ることができる。
まず、液化アンモニア１０１を圧縮機１０２によって圧縮した後、気化部１０３に導入して、ＮＨ３ガスＹを生成させる。次に、気化部１０３で生成したＮＨ３ガスＹをガスホルダ１０４に導入した後、その全部を分解反応部１０５に導入して、分解反応に供する。これにより、Ｈ２含有ガスＺ２が生成する。分解反応部１０５に導入されることとなるＮＨ３ガスＹは、第３熱交換部１０７’での熱交換により加熱されることが好ましい。第３熱交換部１０７’は、分解反応部１０５に導入されることとなるＮＨ３ガスＹと、分解反応部１０５から導出されたＨ２含有ガスＺ２（燃料Ｘ）との間で熱交換を行うための熱交換部である。分解反応部１０５に導入されることとなるＮＨ３ガスＹを第３熱交換部１０７’での熱交換により加熱することにより、触媒充填部内の温度を高く維持することが可能になって分解反応の効率化を図ることができるとともに、アンモニア分解反応のために供給されるべき帯熱媒体Ｖ及び／又は加熱手段１２０からの熱エネルギー量を削減することができ、燃料製造のさらなる省エネルギー化を図ることができる。
【0069】
分解反応部１０５に導入されたＮＨ３ガスＹは、上記化学式に従って、Ｈ２とＮ２（モル比３：１）とに分解される。ＮＨ３ガスＹの分解率は、燃料Ｘ中のＮＨ３含有率とＨ２含有率との比が所望する範囲内となるように調整されることが好ましい。
【0070】
製造装置１１は、第１流路１４０及び第２流路１５０からなる第１熱交換部１０６を通る流路に加えて、第１熱交換部１０６よりも上流において第１流路１４０から分岐する第３流路１６０と、第３流路１６０に接続されるとともに、第１熱交換部１０６を介することなく第２熱交換部１０８よりも上流において第２流路１５０に接続される第４流路１７０’とで構成されるバイパス流路をさらに有していてもよい。これにより、アンモニア分解反応のための熱源及び熱媒体Ｑを加熱するための熱源として帯熱媒体Ｖを利用すること（帯熱媒体Ｖの第１利用）と、熱媒体Ｑを加熱するための熱源としてのみ帯熱媒体Ｖを利用すること（帯熱媒体Ｖの第２利用）との切り替えが可能となる。
【0071】
帯熱媒体Ｖが第１熱交換部１０６においてアンモニア分解反応のための熱源として利用される場合、第１熱交換部１０６に導入される帯熱媒体Ｖの温度は、例えば２５０℃～１０００℃であり、２５０℃～８００℃、又は３００℃～７００℃であってよい。該温度は、好ましくは３００℃～６５０℃である。
【0072】
触媒充填部の温度は、触媒充填部に温度センサを設置することよって検出することができる。例えば、第１熱交換部１０６の上流側と触媒充填部とに温度センサを設置し、第１流路１４０及び第３流路１６０に設置された電磁弁等により第１熱交換部１０６へ導入される帯熱媒体Ｖの流量を調整することによって触媒充填部の温度を制御することができる。
【0073】
帯熱媒体Ｖが第２熱交換部１０８において熱媒体Ｑを加熱するための熱源として利用される場合、第２熱交換部１０８に導入される帯熱媒体Ｖの温度は、例えば５０℃以上、好ましくは１００℃以上であり、５００℃以下、４００℃以下、３００℃以下、又は２００℃以下であってもよい。第２熱交換部１０８へ導入される帯熱媒体Ｖの流量を調整することにより、熱媒体Ｑに供給される熱エネルギー量が調整されてもよい。
【0074】
（２）燃焼装置
図４を参照して、本実施形態の燃焼装置２１は、上記の製造装置１１と、製造装置１１によって製造される燃料Ｘを燃焼させるための燃焼炉２０１とを含む。燃焼炉２０１は、燃料Ｘを燃焼させるバーナ２０２を備える。燃焼炉２０１及びバーナ２０２については、第１実施形態に係る記述が引用される。本実施形態では、分解反応部１０５から導入されたＨ２含有ガスＺ２が燃料Ｘとしてバーナ２０２に供給される。本実施形態において、バーナ２０２は、燃焼装置としての省エネルギー効果を高める観点から、リジェネレーティブバーナであることが好ましい。燃焼炉２０１で生じた帯熱媒体Ｖは、例えば第１ガスブロワ２０４ａを用いて製造装置１１内に供給され、有効利用される。
図４を参照して、本実施形態の燃焼装置２１は、上記の製造装置１１と、製造装置１１によって製造される燃料Ｘを燃焼させるための燃焼炉２０１とを含む。燃焼炉２０１は、燃料Ｘを燃焼させるバーナ２０２を備える。燃焼炉２０１及びバーナ２０２については、第１実施形態に係る記述が引用される。本実施形態では、分解反応部１０５から導入されたＨ２含有ガスＺ２が燃料Ｘとしてバーナ２０２に供給される。本実施形態において、バーナ２０２は、燃焼装置としての省エネルギー効果を高める観点から、リジェネレーティブバーナであることが好ましい。燃焼炉２０１で生じた帯熱媒体Ｖは、例えば第１ガスブロワ２０４ａを用いて製造装置１１内に供給され、有効利用される。
【0075】
＜第３実施形態＞
図５は、本発明の第３実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。以下、主に第１実施形態との相違点を中心に、第３実施形態についてより詳細に説明する。下記説明以外の点については、第１実施形態に係る記述が引用される。変形例についても第１実施形態に係る記述が引用される。本実施形態において、帯熱媒体Ｖは、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスである。
図５は、本発明の第３実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。以下、主に第１実施形態との相違点を中心に、第３実施形態についてより詳細に説明する。下記説明以外の点については、第１実施形態に係る記述が引用される。変形例についても第１実施形態に係る記述が引用される。本実施形態において、帯熱媒体Ｖは、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスである。
【0076】
本実施形態の製造装置１２において、燃焼炉２０１で生じた帯熱媒体Ｖは、第１実施形態と同様に、燃焼装置２２のバーナ２０２（例えばリジェネレーティブバーナ）を通して供給されることができるとともに、燃焼装置２２の均圧制御弁２０５に接続された第６流路２０６ａを通して、例えば第２ガスブロワ２０４ｂを用いて製造装置１２内に供給されることができる。
【0077】
均圧制御弁２０５は、燃料燃焼中の燃焼炉２０１内の圧力変動を抑制するための弁である。燃焼炉２０１内外の圧力差を一定に維持するために、均圧制御弁２０５からは、燃料の燃焼により生じた排ガスが排出される。本実施形態によれば、均圧制御弁２０５から排出される排ガスを製造装置１２内に供給し、有効利用することができる。均圧制御弁２０５から排出される排ガスは、一般に高温であるため（例えば８００℃以上）、熱源としての価値が高い。
【0078】
例えば、第６流路２０６ａ、及び、バーナ２０２と製造装置１２とを接続する第７流路２０６ｂに温度センサを設置し、第６流路２０６ａ及び第７流路２０６ｂに設置された電磁弁等により、それぞれの流路を通る帯熱媒体Ｖの流量を制御することができる。この制御によって、製造装置１２内に供給される帯熱媒体Ｖの温度を制御することができる。
【0079】
本実施形態の特徴は、第２実施形態にも適用することができる。
【0080】
＜第４実施形態＞
図６は、本発明の第４実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。本実施形態は、バーナ２０２として、リジェネレーティブバーナ以外のバーナを用いている点が第１実施形態と相違する。この相違点以外の点については、第１実施形態に係る記述が引用される。変形例についても第１実施形態に係る記述が引用される。本実施形態において、帯熱媒体Ｖは、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスである。
図６は、本発明の第４実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。本実施形態は、バーナ２０２として、リジェネレーティブバーナ以外のバーナを用いている点が第１実施形態と相違する。この相違点以外の点については、第１実施形態に係る記述が引用される。変形例についても第１実施形態に係る記述が引用される。本実施形態において、帯熱媒体Ｖは、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスである。
【0081】
本実施形態において、燃焼炉２０１で生じた帯熱媒体Ｖは、燃焼炉２０１の任意の位置に設けられた排出口に接続される第８流路２０７を通して、例えば第１ガスブロワ２０４ａを用いて製造装置１３内に供給されることができる。
【0082】
本実施形態の特徴は、第２実施形態にも適用することができる。
【0083】
＜第５実施形態＞
図７は、本発明の第５実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。以下、主に第１実施形態との相違点を中心に、第５実施形態についてより詳細に説明する。下記説明以外の点については、第１実施形態に係る記述が引用される。変形例についても第１実施形態に係る記述が引用される。本実施形態において、帯熱媒体Ｖは、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスとの熱交換によって熱を帯びた媒体である。
図７は、本発明の第５実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。以下、主に第１実施形態との相違点を中心に、第５実施形態についてより詳細に説明する。下記説明以外の点については、第１実施形態に係る記述が引用される。変形例についても第１実施形態に係る記述が引用される。本実施形態において、帯熱媒体Ｖは、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスとの熱交換によって熱を帯びた媒体である。
【0084】
本実施形態において、燃焼装置２４は、燃焼炉２０１の内部に熱交換器２０８を備える。熱交換器２０８は、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスと熱媒体との間で熱交換を行うための熱交換器である。この熱交換により熱を帯びた熱媒体が、帯熱媒体Ｖとして、第９流路２０９を通して製造装置１４内に供給され、有効利用される。熱媒体としては、水（例えば蒸気）が挙げられる。熱交換された後の排ガス２１２は、従来公知の排ガス処理装置２１３を用いて処理（無害化、中和等）されてよい。
【0085】
帯熱媒体Ｖとして製造装置１４内に供給された熱媒体は、第１実施形態と同様に、分解反応部１０５でのアンモニア分解反応のための熱源、混合部１１０において混合されることとなるＮＨ３ガスＹを加熱するための熱源（製造装置１４が第４熱交換部１０９を有する場合）、及び熱媒体Ｑを加熱するための熱源から選択される１以上の熱源として利用された後、戻し流路１９０を通して熱交換器２０８に戻されて再加熱され、上記熱源として再利用されてもよい。あるいは、上記熱源として利用された後、大気に放出されてもよい。
【0086】
本実施形態の特徴は、第２実施形態にも適用することができる。
【0087】
＜第６実施形態＞
図８は、本発明の第６実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。以下、主に第１実施形態との相違点を中心に、第６実施形態についてより詳細に説明する。下記説明以外の点については、第１実施形態に係る記述が引用される。変形例についても第１実施形態に係る記述が引用される。本実施形態において、帯熱媒体Ｖは、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスとの熱交換によって熱を帯びた媒体である。
図８は、本発明の第６実施形態に係る燃料の製造装置及びこれを含む燃焼装置を示す概略図である。以下、主に第１実施形態との相違点を中心に、第６実施形態についてより詳細に説明する。下記説明以外の点については、第１実施形態に係る記述が引用される。変形例についても第１実施形態に係る記述が引用される。本実施形態において、帯熱媒体Ｖは、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスとの熱交換によって熱を帯びた媒体である。
【0088】
本実施形態において、燃焼装置２は、燃焼炉２０１の外部に熱交換器２１０を備える。熱交換器２１０は、燃料Ｘの燃焼によって生じる排ガスと熱媒体との間で熱交換を行うための熱交換器である。この熱交換により熱を帯びた熱媒体が、帯熱媒体Ｖとして、第１０流路２１１を通して製造装置１５内に供給され、有効利用される。熱媒体としては、水（例えば蒸気）が挙げられる。熱交換された後の排ガス２１２は、従来公知の排ガス処理装置２１３を用いて処理（無害化、中和等）されてよい。
【0089】
帯熱媒体Ｖとして製造装置１５内に供給された熱媒体は、第１実施形態と同様に、分解反応部１０５でのアンモニア分解反応のための熱源、混合部１１０において混合されることとなるＮＨ３ガスＹを加熱するための熱源（製造装置１５が第４熱交換部１０９を有する場合）、及び熱媒体Ｑを加熱するための熱源から選択される１以上の熱源として利用された後、戻し流路１９０を通して熱交換器２１０に戻されて再加熱され、上記熱源として再利用されてもよい。あるいは、上記熱源として利用された後、大気に放出されてもよい。
【0090】
本実施形態の特徴は、第２実施形態にも適用することができる。
【0091】
本発明に係るアンモニア及び水素を含有する燃料の製造装置、並びに燃焼装置によれば、燃料製造の省エネルギー化を図ることが可能である。そのため、地球温暖化ガスを削減することができ、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の一部活動に貢献することができる。なお、燃料製造に要する電力は再生可能エネルギーを使用してもよい。
【0092】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0093】
１０，１１，１２，１３，１４，１５ 燃料の製造装置、１０１ 液化アンモニア、１０２ 圧縮機、１０３ 気化部、１０４ ガスホルダ、１０５ 分解反応部、１０６ 第１熱交換部、１０７，１０７’ 第３熱交換部、１０８ 第２熱交換部、１０９ 第４熱交換部、１１０ 混合部、１１２，２１２ 排ガス、１１３，２１３ 排ガス処理装置、１２０ 加熱手段、１４０ 第１流路、１５０ 第２流路、１６０ 第３流路、１７０，１７０’ 第４流路、１８０ 第５流路、１９０ 戻し流路、２０，２１，２２，２３，２４，２５ 燃焼装置、２０１ 燃焼炉、２０２ バーナ、２０２ａ 第１バーナ、２０２ｂ 第２バーナ、２０４ａ 第１ガスブロワ、２０４ｂ 第２ガスブロワ、２０５ 均圧制御弁、２０６ａ 第６流路、２０６ｂ 第７流路、２０７ 第８流路、２０８，２１０ 熱交換器、２０９ 第９流路、２１１ 第１０流路、３０１ 第１蓄熱体、３０２ 第２蓄熱体、３０３ 切替バルブ、３０４ａ，３０４ｂ 火炎、３０５ａ，３０５ｂ，３０５ｃ，３０５ｄ 燃料供給口、３０６ａ，３０６ｂ 排ガス、Ａ１ 空気、Ａ２ 予熱された空気、Ｑ 熱媒体、Ｖ 帯熱媒体、Ｘ 燃料、Ｙ アンモニアガス、Ｚ１，Ｚ２ 水素含有ガス。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】