(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-08-15
(45)【発行日】2023-08-23
(54)【発明の名称】燃焼装置およびボイラ
(51)【国際特許分類】
F23C 1/12 20060101AFI20230816BHJP
F23J 7/00 20060101ALI20230816BHJP
F23D 17/00 20060101ALI20230816BHJP
F23N 5/00 20060101ALI20230816BHJP
【ＦＩ】
F23C1/12
F23C99/00 317
F23D17/00 103
F23N5/00 X
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2022563235
(86)(22)【出願日】2022-06-17
(86)【国際出願番号】 JP2022024360
【審査請求日】2022-10-18
(31)【優先権主張番号】P 2021169141
(32)【優先日】2021-10-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ
(74)【代理人】
【識別番号】110000936
【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】石井 大樹
(72)【発明者】
【氏名】花岡 亮
【審査官】古川 峻弘
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第１１０８７３３２６（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１７３１７７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０８６１８９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００１－０６５８１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】実開昭５８－０２７６１２（ＪＰ，Ｕ）
【文献】特開２００１－２２７７１１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２３Ｃ １／００－１／１２，９９／００
Ｆ２３Ｊ ７／００
Ｆ２３Ｄ １／００－１／０６，１４／００－１４／８４，１７／００
Ｆ２３Ｎ １／００－５／２６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
火炉の内部空間に噴射口が臨むアンモニア噴射ノズルと、前記火炉の前記内部空間に噴射口が臨み、前記アンモニア噴射ノズルを囲むように配置される空気噴射ノズルと、
前記火炉の前記内部空間に噴射口が臨み、前記空気噴射ノズルを囲むように配置される微粉炭噴射ノズルと、
前記アンモニア噴射ノズルからのアンモニアの噴射流速を調整する調整機構と、
前記アンモニア噴射ノズルからのアンモニアの噴射流速が前記微粉炭噴射ノズルからの微粉炭の噴射流速よりも速くなるように、前記調整機構の動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記アンモニア噴射ノズルからのアンモニアの噴射流速が、前記アンモニア噴射ノズルおよび前記微粉炭噴射ノズルを有するバーナにより形成される火炎において、アンモニアの分解領域と、前記分解領域に対して前記火炎の先端側に位置するＮＯｘの還元領域とが形成される速度になるように、前記調整機構の動作を制御する、
燃焼装置。
【請求項2】
前記制御装置は、前記アンモニア噴射ノズルからのアンモニアの噴射流速が前記微粉炭噴射ノズルからの微粉炭の噴射流速の変化に応じて変化して前記微粉炭噴射ノズルからの微粉炭の噴射流速よりも速くなるように、前記調整機構の動作を制御する、請求項１に記載の燃焼装置。
【請求項3】
前記調整機構は、前記アンモニア噴射ノズルの噴射口の開口面積を調整する機構を含む、請求項１または２に記載の燃焼装置。
【請求項4】
前記アンモニア噴射ノズルには、複数のアンモニア流路が設けられており、前記調整機構は、前記複数のアンモニア流路のうち、アンモニアが流通する前記アンモニア流路の数を調整する機構を含む、
請求項１または２に記載の燃焼装置。
【請求項5】
請求項１または２に記載の燃焼装置を備えるボイラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、燃焼装置およびボイラに関する。本出願は２０２１年１０月１４日に提出された日本特許出願第２０２１－１６９１４１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。
【背景技術】
【0002】
ボイラ等の火炉に設けられるバーナにおいて、アンモニアを燃料として噴射するアンモニア噴射ノズルを有するバーナがある。アンモニアを燃料として用いることによって、二酸化炭素の排出量の削減が図られる。例えば、特許文献１には、微粉炭とアンモニアとを燃料として混焼させるバーナが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１９－０８６１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
微粉炭とアンモニアとを燃料として混焼させるバーナでは、バーナの前方に形成される火炎において、窒素酸化物（以下、ＮＯｘとも呼ぶ）の発生および還元が行われる。作動条件によっては、ＮＯｘの還元が十分に行われず、ＮＯｘの排出量が増加するおそれがある。そこで、ＮＯｘの排出を抑制するための新たな提案が望まれている。
【0005】
本開示の目的は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑制することが可能な燃焼装置およびボイラを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、本開示の燃焼装置は、火炉の内部空間に噴射口が臨むアンモニア噴射ノズルと、火炉の内部空間に噴射口が臨み、アンモニア噴射ノズルを囲むように配置される空気噴射ノズルと、火炉の内部空間に噴射口が臨み、空気噴射ノズルを囲むように配置される微粉炭噴射ノズルと、アンモニア噴射ノズルからのアンモニアの噴射流速を調整する調整機構と、アンモニア噴射ノズルからのアンモニアの噴射流速が微粉炭噴射ノズルからの微粉炭の噴射流速よりも速くなるように、調整機構の動作を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、アンモニア噴射ノズルからのアンモニアの噴射流速が、アンモニア噴射ノズルおよび微粉炭噴射ノズルを有するバーナにより形成される火炎において、アンモニアの分解領域と、分解領域に対して火炎の先端側に位置するＮＯｘの還元領域とが形成される速度になるように、調整機構の動作を制御する。
制御装置は、アンモニア噴射ノズルからのアンモニアの噴射流速が微粉炭噴射ノズルからの微粉炭の噴射流速の変化に応じて変化して微粉炭噴射ノズルからの微粉炭の噴射流速よりも速くなるように、調整機構の動作を制御してもよい。
制御装置は、アンモニア噴射ノズルからのアンモニアの噴射流速が微粉炭噴射ノズルからの微粉炭の噴射流速の変化に応じて変化して微粉炭噴射ノズルからの微粉炭の噴射流速よりも速くなるように、調整機構の動作を制御してもよい。
【0007】
調整機構は、アンモニア噴射ノズルの噴射口の開口面積を調整する機構を含んでもよい。
【0008】
アンモニア噴射ノズルには、複数のアンモニア流路が設けられており、調整機構は、複数のアンモニア流路のうち、アンモニアが流通するアンモニア流路の数を調整する機構を含んでもよい。
【0009】
上記課題を解決するために、本開示のボイラは、上記の燃焼装置を備える。
【発明の効果】
【0010】
本開示によれば、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
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説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、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。
【0013】
【0014】
火炉２は、燃料を燃焼させて燃焼熱を発生させる炉である。火炉２は、鉛直方向に延在する矩形筒形状等の筒形状を有する。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。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。
【0015】
煙道３は、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通路である。煙道３は、火炉２の上部と接続される。煙道３は、水平煙道３ａと、後部煙道３ｂとを有する。水平煙道３ａは、火炉２の上部から水平方向に延在する。後部煙道３ｂは、水平煙道３ａの端部から下方に延在する。
【0016】
ボイラ１は、火炉２の上部等に設置される図示しない過熱器を備えている。過熱器では、火炉２で発生した燃焼熱と水との間での熱交換が行われる。それにより、水蒸気が生成される。また、ボイラ１は、図１で図示されていない再熱器、節炭器または空気予熱器等の各種機器を備え得る。
【0017】
バーナ４は、火炉２の下部の壁部に設けられている。火炉２には、複数のバーナ４が、火炉２の周方向に間隔を空けて設けられている。図１では図示を省略しているが、複数のバーナ４は、火炉２の延在方向である上下方向にも間隔を空けて設けられている。バーナ４は、アンモニアおよび微粉炭を燃料として火炉２内に噴射する。バーナ４から噴射された燃料が燃焼することにより、火炉２内で火炎Ｆが形成される。火炉２には、バーナ４から噴射された燃料を着火する図示しない着火装置が設けられている
【0018】
【0019】
バーナ４は、火炉２の外部において、火炉２の壁部に取り付けられる。バーナ４は、アンモニア噴射ノズル４１と、空気噴射ノズル４２と、微粉炭噴射ノズル４３とを有する。アンモニア噴射ノズル４１は、アンモニアを噴射するノズルである。空気噴射ノズル４２は、燃焼用の空気を噴射するノズルである。微粉炭噴射ノズル４３は、微粉炭を噴射するノズルである。
【0020】
アンモニア噴射ノズル４１、空気噴射ノズル４２および微粉炭噴射ノズル４３は、円筒形状を有する。空気噴射ノズル４２は、アンモニア噴射ノズル４１と同軸上に、アンモニア噴射ノズル４１を囲むように配置される。微粉炭噴射ノズル４３は、空気噴射ノズル４２と同軸上に、空気噴射ノズル４２を囲むように配置される。アンモニア噴射ノズル４１、空気噴射ノズル４２および微粉炭噴射ノズル４３によって、三重円筒構造が形成される。アンモニア噴射ノズル４１、空気噴射ノズル４２および微粉炭噴射ノズル４３の中心軸は、火炉２の壁部に対して交差する。具体的には、アンモニア噴射ノズル４１、空気噴射ノズル４２および微粉炭噴射ノズル４３の中心軸は、火炉２の壁部に対して略直交する。
【0021】
以下、バーナ４の径方向、バーナ４の軸方向、および、バーナ４の周方向を、単に径方向、軸方向および周方向とも呼ぶ。バーナ４における火炉２側（図２中の右側）を先端側と呼び、バーナ４における火炉２側に対する逆側（図２中の左側）を後端側と呼ぶ。
【0022】
アンモニア噴射ノズル４１は、本体４１ａと、供給口４１ｂと、噴射口４１ｃとを含む。本体４１ａは、円筒形状を有する。本体４１ａは、バーナ４の中心軸上に延在する。本体４１ａの肉厚、内径および外径は、軸方向位置によらず略一定である。ただし、本体４１ａの肉厚、内径および外径は、軸方向位置に応じて変化してもよい。本体４１ａの後端部に、開口である供給口４１ｂが設けられる。供給口４１ｂは、アンモニアタンク６と接続されている。本体４１ａの先端部に、開口である噴射口４１ｃが設けられる。噴射口４１ｃは、火炉２の内部空間に臨む。つまり、噴射口４１ｃは、火炉２の内部空間を向いている。
【0023】
アンモニアは、アンモニアタンク６から供給口４１ｂを介して本体４１ａ内に供給される。矢印Ａ１により示すように、本体４１ａ内に供給されたアンモニアは、本体４１ａ内を流れる。本体４１ａ内を通過したアンモニアは、噴射口４１ｃから火炉２の内部空間に向けて噴射される。このように、アンモニア噴射ノズル４１は、火炉２の内部空間に向けて設けられる。
【0024】
アンモニアタンク６には、アンモニアが液体の状態で貯蔵されている。アンモニアタンク６に貯蔵されるアンモニアは、気化器によって気化される。気化したアンモニアがアンモニア噴射ノズル４１に供給されるようになっている。
【0025】
空気噴射ノズル４２は、本体４２ａと、噴射口４２ｂとを含む。本体４２ａは、円筒形状を有する。本体４２ａは、アンモニア噴射ノズル４１の本体４１ａと同軸上に、本体４１ａを囲むように配置される。本体４２ａは、先端側に進むにつれて先細りする形状を有する。本体４２ａの後部に、図示しない供給口が設けられる。
【0026】
空気噴射ノズル４２の供給口は、図示しない空気供給源と接続されている。例えば、空気噴射ノズル４２の供給口は、空気供給源としての大気に露出している。本体４２ａの先端部に、開口である噴射口４２ｂが設けられる。本体４２ａの先端部の径方向内側には、アンモニア噴射ノズル４１の本体４１ａの先端部が位置している。噴射口４２ｂは、本体４２ａの先端部と、アンモニア噴射ノズル４１の本体４１ａの先端部との間の円環形状の開口である。噴射口４２ｂは、火炉２の内部空間に臨む。つまり、噴射口４２ｂは、火炉２の内部空間を向いている。
【0027】
空気は、空気供給源から図示しない供給口を介して本体４２ａ内に供給される。矢印Ａ２により示すように、本体４２ａ内に供給された空気は、本体４２ａの内周部と、アンモニア噴射ノズル４１の本体４１ａの外周部との間の空間内を流れる。本体４２ａ内を通過した空気は、噴射口４２ｂから火炉２の内部空間に向けて噴射される。このように、空気噴射ノズル４２は、火炉２の内部空間に向けて設けられる。
【0028】
微粉炭噴射ノズル４３は、本体４３ａと、噴射口４３ｂとを含む。本体４３ａは、円筒形状を有する。本体４３ａは、空気噴射ノズル４２の本体４２ａと同軸上に、本体４２ａを囲むように配置される。本体４３ａは、先端側に進むにつれて先細りする形状を有する。本体４３ａの後部に、図示しない供給口が設けられる。
【0029】
微粉炭噴射ノズル４３の供給口は、図示しない微粉炭供給源と接続されている。本体４３ａの先端部に、開口である噴射口４３ｂが設けられる。本体４３ａの先端の軸方向位置は、空気噴射ノズル４２の本体４２ａの先端の軸方向位置と略一致する。噴射口４３ｂは、本体４３ａの先端部と、空気噴射ノズル４２の本体４２ａの先端部との間の円環形状の開口である。噴射口４３ｂは、火炉２の内部空間に臨む。つまり、噴射口４３ｂは、火炉２の内部空間を向いている。
【0030】
微粉炭は、微粉炭を搬送するための空気とともに、微粉炭供給源から図示しない供給口を介して本体４３ａ内に供給される。矢印Ａ３により示すように、本体４３ａ内に供給された微粉炭は、本体４３ａの内周部と、空気噴射ノズル４２の本体４２ａの外周部との間の空間内を空気とともに流れる。本体４３ａ内を通過した微粉炭は、噴射口４３ｂから火炉２の内部空間に向けて噴射される。このように、微粉炭噴射ノズル４３は、火炉２の内部空間に向けて設けられる。
【0031】
空気供給部５は、バーナ４により形成される火炎Ｆに対して、径方向外側から燃焼用の空気を供給する。空気供給部５は、バーナ４の先端部と火炉２との間を覆うように配置される。空気供給部５には、空気が流通する流路５１が形成されている。流路５１は、バーナ４と同軸の円筒形状に形成される。流路５１は、図示しない空気供給源と接続されている。流路５１のうち火炉２側の端部には、噴射口５２が形成されている。
【0032】
矢印Ａ４により示すように、空気供給源から空気供給部５に供給された空気は、流路５１を通過し、噴射口５２から火炉２の内部空間に向けて噴射される。噴射口５２は、火炉２の内部空間に臨む。つまり、噴射口５２は、火炉２の内部空間を向いている。このように、空気供給部５は、火炉２の内部空間に向けて設けられる。空気供給部５の噴射口５２から噴射される空気は、周方向に旋回しながら、火炉２の内部空間に向けて進む。
【0033】
調整機構７は、アンモニア噴射ノズル４１からのアンモニアの噴射流速を調整するための機構である。アンモニアの噴射流速は、アンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃから噴射されるアンモニアの流速である。本実施形態では、調整機構７は、アンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃの開口面積を調整することによって、アンモニア噴射ノズル４１からのアンモニアの噴射流速を調整する。図３を参照して、調整機構７の詳細について説明する。
【0034】
図３は、本実施形態に係る調整機構７を示す模式図である。図３に示すように、アンモニア噴射ノズル４１の先端部には、可変部４１ｄが設けられる。可変部４１ｄが変形することによって、噴射口４１ｃの開口面積が変化する。例えば、可変部４１ｄは、周方向に離隔した複数の部材を含み、各部材の先端が後端よりも径方向内側に位置する傾斜姿勢となるように変形できる。このような可変部４１ｄとしては、例えば、コンバージェンス・ダイバージェンス・ノズルと同様の構造が採用され得る。
【0035】
調整機構７は、駆動装置７１を有する。駆動装置７１は、アンモニア噴射ノズル４１の可変部４１ｄを変形させる。例えば、駆動装置７１は、可変部４１ｄの後端に設けられ、動力を発生させるモータ等の動力源を含む。そして、駆動装置７１は、可変部４１ｄの後端を中心として可変部４１ｄを回動させることによって、可変部４１ｄの姿勢を変化させることができる。調整機構７は、駆動装置７１によりアンモニア噴射ノズル４１の可変部４１ｄを変形させることによって、アンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃの開口面積を調整することができる。
【0036】
図４は、本実施形態に係るアンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃの開口面積が図３の例と比べて小さくなった状態を示す模式図である。図４の例では、図３の例と比べて、可変部４１ｄの先端の径方向位置が径方向内側に移動するように、可変部４１ｄが変形している。それにより、可変部４１ｄの形状は、先端側に進むにつれて先細りする形状となっている。例えば、図４の可変部４１ｄの形状は、円錐台形状となっている。ゆえに、アンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃの開口面積が小さくなる。
【0037】
アンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃの開口面積が小さいほど、噴射口４１ｃから噴射されるアンモニアの流速は速くなる。ゆえに、調整機構７は、アンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃの開口面積を調整することによって、アンモニア噴射ノズル４１からのアンモニアの噴射流速を調整することができる。このように、調整機構７によれば、アンモニアの噴射流速を調整することが適切に実現される。
【0038】
図２中の制御装置８は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含み、燃焼装置１００全体を制御する。特に、制御装置８は、調整機構７の動作を制御する。具体的には、制御装置８は、調整機構７の駆動装置７１を制御することによって、アンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃの開口面積を調整し、アンモニア噴射ノズル４１からのアンモニアの噴射流速を調整することができる。
【0039】
図５は、本実施形態に係る制御装置８が行う処理の流れの一例を示すフローチャートである。図５に示す処理フローは、例えば、予め設定された時間間隔で繰り返し実行される。後述するように、図５の処理例は、あくまでも一例に過ぎず、制御装置８が行う処理はこの例に限定されない。
【0040】
図５に示す処理フローが開始すると、ステップＳ１０１において、制御装置８は、微粉炭噴射ノズル４３からの微粉炭の噴射流速を取得する。微粉炭の噴射流速は、微粉炭噴射ノズル４３の噴射口４３ｂから噴射される微粉炭の流速である。
【0041】
微粉炭噴射ノズル４３に供給される搬送用の空気の供給量は、火炉２における要求燃焼量に応じて変化する。それにより、微粉炭の噴射流速は、火炉２における要求燃焼量に応じて変化する。例えば、微粉炭の噴射流速は、火炉２における要求燃焼量が大きくなるにつれて速くなる。火炉２における要求燃焼量は、ボイラ１の要求負荷または要求発電量と相関を有する。
【0042】
制御装置８は、例えば、微粉炭噴射ノズル４３に供給される搬送用の空気の供給量を制御する装置から、搬送用の空気の供給量を取得する。そして、制御装置８は、搬送用の空気の供給量に基づいて、微粉炭の噴射流速を取得できる。制御装置８が、微粉炭噴射ノズル４３に供給される搬送用の空気の供給量を制御してもよい。
【0043】
ステップＳ１０１の次に、ステップＳ１０２において、制御装置８は、アンモニアの噴射流速が微粉炭の噴射流速よりも速くなるように、調整機構７を制御する。例えば、制御装置８は、アンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃの開口面積が微粉炭の噴射流速に応じて変化するように、調整機構７の駆動装置７１を制御する。それにより、アンモニアの噴射流速を微粉炭の噴射流速よりも速くすることができる。
【0044】
制御装置８は、アンモニアの噴射流速に影響を与えるパラメータのうち、噴射口４１ｃの開口面積以外のパラメータを加味して、調整機構７を制御することが好ましい。例えば、アンモニア噴射ノズル４１へのアンモニアの供給量は、火炉２における要求燃焼量に応じて変化し得る。ゆえに、制御装置８は、微粉炭の噴射流速に加えて、アンモニア噴射ノズル４１へのアンモニアの供給量に基づいて、調整機構７を制御することが好ましい。それにより、アンモニアの噴射流速を微粉炭の噴射流速よりも速くすることが、より適切に実現される。
【0045】
上記では、アンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃの開口面積を微粉炭の噴射流速に応じて変化させる例を説明した。ただし、制御装置８は、アンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃの開口面積を、微粉炭の噴射流速以外のパラメータに応じて変化させてもよい。例えば、制御装置８は、アンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃの開口面積を、火炉２における要求燃焼量、ボイラ１の要求負荷、または、ボイラ１の要求発電量に応じて変化させてもよい。
【0046】
上記のように、本実施形態に係る燃焼装置１００では、制御装置８は、アンモニア噴射ノズル４１からのアンモニアの噴射流速が微粉炭噴射ノズル４３からの微粉炭の噴射流速よりも速くなるように、調整機構７の動作を制御する。アンモニアの噴射流速と微粉炭の噴射流速との大小関係によって、バーナ４の前方に形成される火炎Ｆの形状、および、火炎Ｆ内で生じる現象が異なる。以下、図６および図７を参照して、火炎Ｆの形状、および、火炎Ｆ内で生じる現象について説明する。
【0047】
【0048】
図６の例では、火炎Ｆは、バーナ４の中心軸上に延在する細長形状を有する。火炎Ｆの表層近傍では、破線矢印Ａ５により示すように、空気供給部５から噴射された空気の流れが形成される。微粉炭噴射ノズル４３から噴射された微粉炭は、空気供給部５から噴射された空気の流れに引っ張られ、火炎Ｆの表層近傍を流れる。ゆえに、微粉炭噴射ノズル４３から噴射された微粉炭は、火炎Ｆの表層近傍において、破線矢印Ａ６により示すように、破線矢印Ａ５により示す空気の流れに沿って流れる。それにより、火炎Ｆの表層近傍の領域Ｒ１において、微粉炭が燃焼し、ＮＯｘが発生する。領域Ｒ１は、微粉炭の燃焼領域である。
【0049】
図６の例では、アンモニアの噴射流速が微粉炭の噴射流速よりも速い。ゆえに、アンモニア噴射ノズル４１から噴射されたアンモニアは、空気供給部５から噴射された空気の流れに引っ張られにくいので、実線矢印Ａ７により示すように、火炎Ｆの中心をバーナ４の軸方向に流れる。アンモニアの流れ方向は、実際には、種々の方向を取り得るが、主たる方向はバーナ４の軸方向となる。それにより、火炎Ｆの中心側の酸素が少ない領域Ｒ２において、アンモニア（ＮＨ３）がＮＨ２、ＮＨ、Ｎに分解される。領域Ｒ２は、領域Ｒ１に対して径方向内側に位置する。領域Ｒ２は、アンモニアの分解領域である。領域Ｒ２は、バーナ４の中心軸上に延在する細長形状を有する。
【0050】
そして、火炎Ｆの先端側の領域Ｒ３において、ＮＯｘがＮＨ２、ＮＨ、Ｎによって還元される。領域Ｒ３は、領域Ｒ２に対して、前側に位置する。領域Ｒ３は、ＮＯｘの還元領域である。
【0051】
図７は、比較例に係る燃焼装置により形成される火炎Ｆについて説明するための図である。比較例では、本実施形態と異なり、アンモニアの噴射流速が微粉炭の噴射流速よりも遅い。つまり、図７に示す火炎Ｆは、アンモニアの噴射流速が微粉炭の噴射流速よりも遅い場合の火炎である。
【0052】
図７の例では、火炎Ｆは、図６の例と比べて、径方向に拡がった形状を有する。図６の例と同様に、破線矢印Ａ５および破線矢印Ａ６により示すように、空気供給部５から噴射された空気、および、微粉炭噴射ノズル４３から噴射された微粉炭は、火炎Ｆの表層近傍を流れる。火炎Ｆの表層近傍の領域Ｒ１において、微粉炭が燃焼し、ＮＯｘが発生する。
【0053】
図７の例では、アンモニアの噴射流速が微粉炭の噴射流速よりも遅い。ゆえに、アンモニア噴射ノズル４１から噴射されたアンモニアは、空気供給部５から噴射された空気の流れに引っ張られやすい。よって、アンモニア噴射ノズル４１から噴射されたアンモニアの大部分は、実線矢印Ａ７により示すように、破線矢印Ａ５により示す空気の流れに沿って流れる。それにより、火炎Ｆの中心から表層側に離れた酸素が多い領域Ｒ４において、アンモニアが燃焼し、ＮＯｘが発生する。領域Ｒ４は、アンモニアの燃焼領域である。
【0054】
アンモニア噴射ノズル４１から噴射されたアンモニアの一部は、酸素が少ない火炎Ｆの中心側において、ＮＨ２、ＮＨ、Ｎに分解される。そして、火炎Ｆの先端側の領域Ｒ３において、ＮＯｘがＮＨ２、ＮＨ、Ｎによって還元される。
【0055】
図７に示す比較例では、図６の例と異なり、アンモニア噴射ノズル４１から噴射されたアンモニアの大部分が燃焼し、ＮＯｘが発生する。ゆえに、微粉炭の燃焼により生じるＮＯｘに加えて、アンモニアの燃焼によってもＮＯｘが発生する。よって、ＮＯｘの発生量が多くなる。また、アンモニア噴射ノズル４１から噴射されたアンモニアの大部分は、燃焼するので、分解されない。ゆえに、アンモニアの分解により生成されるＮＨ２、ＮＨ、Ｎの量が少なくなる。したがって、ＮＯｘの還元が十分に行われず、ＮＯｘの排出量が増加してしまう。
【0056】
以上説明したように、本実施形態では、制御装置８は、アンモニア噴射ノズル４１からのアンモニアの噴射流速が微粉炭噴射ノズル４３からの微粉炭の噴射流速よりも速くなるように、調整機構７の動作を制御する。それにより、図６の例のように、アンモニア噴射ノズル４１から噴射されたアンモニアを、火炎Ｆの中心側の酸素が少ない領域Ｒ２に送り、分解させることができる。ゆえに、アンモニアの燃焼によるＮＯｘの発生が抑制され、アンモニアの分解が促進される。よって、ＮＯｘが効果的に還元され、ＮＯｘの排出が抑制される。
【0057】
アンモニア噴射ノズル４１からのアンモニアの噴射流速が微粉炭噴射ノズル４３からの微粉炭の噴射流速に対して過度に速くなると、バーナ４の前方に形成される火炎Ｆの形状、および、火炎Ｆ内で生じる現象が図６の例から乖離するおそれがある。例えば、アンモニア噴射ノズル４１から噴射されたアンモニアが、十分に分解されない状態で、アンモニアの分解領域である領域Ｒ２よりも前方まで到達することが考えられる。この場合、アンモニアの分解により生成されるＮＨ２、ＮＨ、Ｎの量が少なくなり、ＮＯｘの排出を抑制する効果が低下し得る。ゆえに、制御装置８は、アンモニア噴射ノズル４１からのアンモニアの噴射流速が、微粉炭噴射ノズル４３からの微粉炭の噴射流速よりも速く、かつ、上限速度以下になるように、調整機構７の動作を制御することが好ましい。上限速度は、例えば、微粉炭の噴射流速に対して所定の割合だけ速い速度である。
【0058】
さらに、本実施形態では、図６の例のように、燃焼装置１００により形成される火炎Ｆが細長形状を有する。それにより、微粉炭が酸素と触れ合う時間が長くなるので、微粉炭の燃焼が促進される。ゆえに、未燃の燃料の発生および排出が抑制される。
【0059】
【0060】
燃焼装置１００Ａのアンモニア噴射ノズル４１Ａでは、上述した燃焼装置１００のアンモニア噴射ノズル４１と比較して、内部構造が異なる。図９は、変形例に係るアンモニア噴射ノズル４１Ａの内部の様子を示す断面図である。具体的には、図９は、アンモニア噴射ノズル４１Ａの中心軸に直交する図８中のＸ－Ｘ断面における断面図である。
【0061】
図９に示すように、アンモニア噴射ノズル４１Ａの本体４１ａ内には、複数の供給管４１ｅが設けられている。図９の例では、供給管４１ｅの数が６つである。ただし、供給管４１ｅの数が６つ以外であってもよい。供給管４１ｅは、円筒形状等の筒形状を有する。供給管４１ｅは、本体４１ａの軸方向に延在する。図９の例では、供給管４１ｅは、本体４１ａの周方向に等間隔に配置されている。ただし、本体４１ａ内における各供給管４１ｅの配置は、図９の例に限定されない。アンモニアタンク６から本体４１ａ内に供給されたアンモニアは、各供給管４１ｅの内部空間であるアンモニア流路４１ｆを通過して、噴射口４１ｃから噴射される。このように、アンモニア噴射ノズル４１には、複数のアンモニア流路４１ｆが設けられている。
【0062】
図８中の調整機構７Ａは、複数のアンモニア流路４１ｆのうち、アンモニアが流通するアンモニア流路４１ｆの数を調整することによって、アンモニア噴射ノズル４１Ａからのアンモニアの噴射流速を調整する。
【0063】
具体的には、調整機構７Ａは、切替弁７１Ａを有する。切替弁７１Ａは、アンモニアタンク６とアンモニア噴射ノズル４１Ａとを接続する流路に設けられる。切替弁７１Ａは、各供給管４１ｅについて、アンモニアタンク６からアンモニアが供給される状態と、アンモニアタンク６からアンモニアが供給されない状態とを切り替える。つまり、切替弁７１Ａは、複数の供給管４１ｅのうち、アンモニアの供給先となる供給管４１ｅを切り替える。それにより、複数のアンモニア流路４１ｆのうち、アンモニアが流通するアンモニア流路４１ｆの数が調整される。
【0064】
複数のアンモニア流路４１ｆのうち、アンモニアが流通するアンモニア流路４１ｆの数が小さいほど、アンモニア噴射ノズル４１における流路断面積の合計値が小さくなるので、噴射口４１ｃから噴射されるアンモニアの流速は速くなる。例えば、複数のアンモニア流路４１ｆのうちの一部のアンモニア流路４１ｆのみをアンモニアが流通する場合、全てのアンモニア流路４１ｆをアンモニアが流通する場合と比べて、噴射口４１ｃから噴射されるアンモニアの流速は速くなる。ゆえに、調整機構７Ａは、複数のアンモニア流路４１ｆのうち、アンモニアが流通するアンモニア流路４１ｆの数を調整することによって、アンモニア噴射ノズル４１Ａからのアンモニアの噴射流速を調整することができる。このように、調整機構７Ａによれば、アンモニアの噴射流速を調整することが適切に実現される。
【0065】
燃焼装置１００Ａにおいても、上述した燃焼装置１００と同様に、制御装置８は、アンモニアの噴射流速が微粉炭の噴射流速よりも速くなるように、調整機構７Ａを制御する。例えば、制御装置８は、アンモニアが流通するアンモニア流路４１ｆの数が微粉炭の噴射流速に応じて変化するように、調整機構７Ａの切替弁７１Ａを制御する。それにより、アンモニアの噴射流速を微粉炭の噴射流速よりも速くすることができる。ゆえに、上述した燃焼装置１００と同様に、ＮＯｘの排出が抑制される。また、未燃の燃料の発生および排出が抑制される。
【0066】
制御装置８は、アンモニアが流通するアンモニア流路４１ｆの数を、微粉炭の噴射流速以外のパラメータに応じて変化させてもよい。例えば、制御装置８は、アンモニアが流通するアンモニア流路４１ｆの数を、火炉２における要求燃焼量、ボイラ１の要求負荷、または、ボイラ１の要求発電量に応じて変化させてもよい。
【0067】
以上、添付図面を参照しながら本開示の実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。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。
【0068】
上記では、アンモニア噴射ノズル４１からのアンモニアの噴射流速を調整する調整機構の例として、調整機構７および調整機構７Ａを説明した。ただし、アンモニア噴射ノズル４１からのアンモニアの噴射流速を調整する機能を有する機構であれば、調整機構７および調整機構７Ａ以外の機構が用いられてもよい。また、アンモニア噴射ノズル４１の噴射口４１ｃの開口面積を調整する調整機構７と、複数のアンモニア流路４１ｆのうち、アンモニアが流通するアンモニア流路４１ｆの数を調整する調整機構７Ａとが併用されてもよい。
【0069】
上記では、燃焼装置１００、１００Ａが、ボイラ１の火炉２に設けられる例を説明した。ただし、燃焼装置１００、１００Ａが用いられる火炉は、燃料を燃焼させて燃焼熱を発生させる炉であればよい。燃焼装置１００、１００Ａは、ボイラ１以外の設備の様々な火炉に用いられ得る。
【0070】
本開示は、ボイラ等に用いられる燃焼装置による燃焼の安定化、および、燃焼装置の補修頻度の低減に資するので、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ー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。
【符号の説明】
【0071】
１：ボイラ ２：火炉 ７：調整機構 ７Ａ：調整機構 ８：制御装置 ４１：アンモニア噴射ノズル ４１Ａ：アンモニア噴射ノズル ４１ｃ：噴射口 ４１ｆ：アンモニア流路 ４３：微粉炭噴射ノズル ４３ｂ：噴射口 １００：燃焼装置 １００Ａ：燃焼装置
【要約】
燃焼装置（１００）は、火炉（２）の内部空間に噴射口（４１ｃ）が臨むアンモニア噴射ノズル（４１）と、火炉（２）の内部空間に噴射口（４３ｂ）が臨む微粉炭噴射ノズル（４３）と、アンモニア噴射ノズル（４１）からのアンモニアの噴射流速を調整する調整機構（７）と、アンモニア噴射ノズル（４１）からのアンモニアの噴射流速が微粉炭噴射ノズル（４３）からの微粉炭の噴射流速よりも速くなるように、調整機構（７）の動作を制御する制御装置（８）と、を備える。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】