(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-17
(45)【発行日】2023-11-28
(54)【発明の名称】アンモニア燃料燃焼装置
(51)【国際特許分類】
F23J 7/00 20060101AFI20231120BHJP
F23L 7/00 20060101ALI20231120BHJP
C01B 3/04 20060101ALI20231120BHJP
【ＦＩ】
F23C99/00 317
F23C99/00 302
C01B3/04 B
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2021146919
(22)【出願日】2021-09-09
(65)【公開番号】P2023039681
(43)【公開日】2023-03-22
【審査請求日】2022-09-29
(73)【特許権者】
【識別番号】000211123
【氏名又は名称】中外炉工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087572
【弁理士】
【氏名又は名称】松川 克明
(72)【発明者】
【氏名】河本 祐作
(72)【発明者】
【氏名】田口 脩平
(72)【発明者】
【氏名】仲井 和成
(72)【発明者】
【氏名】大倉 莉奈
【審査官】小川 悟史
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－０９６６１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０７－３３１２６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－００５９２６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２３Ｃ ９９／００
Ｆ２３Ｊ ７／００
Ｆ２３Ｌ ７／００
Ｃ０１Ｂ ３／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させてバーナーにより炉内で燃焼させるアンモニア燃料燃焼装置において、アンモニア供給管を通してアンモニア燃料を改質器に導いてアンモニア燃料の一部を水素ガスと窒素ガスとに分解させ、分解された水素ガスと窒素ガスとを含む改質アンモニア燃料をバーナーに供給する第１供給路と、前記のアンモニア供給管を通してアンモニア燃料をそのままバーナーに供給する第２供給路とを設けると共に、前記の炉内における環境状態を検知する炉内環境検知センサーを設け、前記の炉内環境検知センサーに検知された結果に基づいて、制御装置によりアンモニア燃料を前記のバーナーに供給する前記の第１供給路と第２供給路とを制御することを特徴とするアンモニア燃料燃焼装置。
【請求項2】
請求項１に記載のアンモニア燃料燃焼装置において、前記の改質器として、アンモニア燃料を水素ガスと窒素ガスとに分解させる触媒を収容させた触媒改質部と、アンモニア燃料を加熱させて水素ガスと窒素ガスとに分解させる加熱改質部との少なくとも一方を設けたことを特徴とするアンモニア燃料燃焼装置。
【請求項3】
請求項１又は請求項２に記載のアンモニア燃料燃焼装置において、前記の炉内環境検知センサーとして、炉内の温度を検知する炉内温度検知センサーと、炉内におけるＮＯｘ濃度を検知するＮＯｘ濃度検知センサーとの少なくとも一方を設けたことを特徴とするアンモニア燃料燃焼装置。
【請求項4】
請求項３に記載のアンモニア燃料燃焼装置において、前記の炉内温度検知センサーによって検知された炉内の温度が上昇するか、前記のＮＯｘ濃度検知センサーによって検知されたＮＯｘ濃度が上昇するかの少なくとも一方に従って、前記の制御装置により、前記の第１供給路を通してバーナーに供給する改質アンモニア燃料の量を減少させる一方、前記の第２供給路を通してバーナーに供給するアンモニア燃料の量を増加させることを特徴とするアンモニア燃料燃焼装置。
【請求項5】
請求項３に記載のアンモニア燃料燃焼装置において、前記の炉内温度検知センサーによって検知された炉内の温度が所定温度まで上昇するか、前記のＮＯｘ濃度検知センサーによって検知されたＮＯｘ濃度が所定値に達するかの少なくとも一方の場合に、前記の制御装置により、前記の第１供給路を通して改質アンモニア燃料をバーナーに供給するのを停止させて、前記の第２供給路を通してバーナーにアンモニア燃料だけを供給させることを特徴とするアンモニア燃料燃焼装置。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させてバーナーにより炉内で燃焼させるアンモニア燃料燃焼装置に関するものである。特に、アンモニア燃料（例えば、アンモニアガス）を燃焼用空気と混合させてバーナーにより炉内で燃焼させるにあたり、アンモニア燃料を改質させて燃焼性を高めた改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて、低温でも安定した燃焼が行えるようにすると共に、改質アンモニア燃料による燃焼を制御して、燃焼時におけるＮＯｘの発生を抑制できるようにした点に特徴を有するものである。
【背景技術】
【0002】
燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼させる燃焼装置においては、一般に、燃料として炭化水素系燃料を用いたものが使用されている。
【0003】
しかし、このように燃焼装置において炭化水素系燃料を燃焼用空気と混合させて燃焼させた場合、二酸化炭素などの温室効果ガスが多く発生するという問題があった。
【0004】
そして、近年においては、二酸化炭素などの温室効果ガスを削減することが要望され、燃料に炭化水素系燃料以外のものを用いることが検討されている。
【0005】
また、従来から、燃焼装置における燃料として、アンモニア燃料を用いることが知られているが、アンモニア燃料は炭化水素系燃料に比べて燃焼性が悪く、完全燃焼させることが困難であり、また低温での燃焼時に失火しやすい一方、強く燃焼させるようにすると、火炎温度が高くなって、ＮＯｘが発生する量が増加するという問題あった。
【0006】
そして、燃焼性が悪いアンモニア燃料を燃焼させるにあたって、特許文献１においては、アンモニア燃料の一部を水素ガスと窒素ガスとに加熱分解させ、この水素ガスと窒素ガスとを残りのアンモニア燃料と混合させた改質アンモニア燃料を、燃焼用空気と混合させて燃焼させるようにしたものが示されている。
【0007】
また、特許文献２においては、アンモニア燃料を水素ガスと窒素ガスとに分解させるアンモニア分解触媒が示されている。
【0008】
ここで、前記の特許文献２に示されるように、アンモニア燃料をアンモニア分解触媒を使って分解させた水素ガスと窒素ガスを、燃焼用空気と混合させて、バーナーにより炉内で燃焼させた場合において、炉内の温度が高温（約８００℃以上）になると、燃焼排ガス中に含まれるＮＯｘの量が急激に増加して、環境を害するという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】特開平７－３３１２６５号公報
【文献】特開２０１２－５９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明は、アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させてバーナーにより炉内で燃焼させるアンモニア燃料燃焼装置における前記のような問題を解決することを課題とするものである。
【0011】
すなわち、本発明は、前記のようにアンモニア燃料を燃焼用空気と混合させてバーナーにより炉内で燃焼させるにあたり、アンモニア燃料を改質させて燃焼性を高め、改質させた改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて、低温でも安定した燃焼が行えるようにすると共に、改質アンモニア燃料による燃焼を制御して、燃焼時におけるＮＯｘの発生を抑制することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明に係るアンモニア燃料燃焼装置においては、前記のような課題を解決するため、アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させてバーナーにより炉内で燃焼させるアンモニア燃料燃焼装置において、アンモニア燃料を改質器に導いてアンモニア燃料の一部を水素ガスと窒素ガスとに分解させ、分解された水素ガスと窒素ガスとを含む改質アンモニア燃料をバーナーに供給する第１供給路と、アンモニア燃料をそのままバーナーに供給する第２供給路とを設けると共に、前記の炉内における環境状態を検知する炉内環境検知センサーを設け、前記の炉内環境検知センサーに検知された結果に基づいて、制御装置によりアンモニア燃料を前記のバーナーに供給する前記の第１供給路と第２供給路とを制御するようにした。
【0013】
ここで、本発明に係るアンモニア燃料燃焼装置においては、前記の改質器として、アンモニア燃料を水素ガスと窒素ガスとに分解させる触媒を収容させた触媒改質部と、アンモニア燃料を加熱させて水素ガスと窒素ガスとに分解させる加熱改質部との少なくとも一方を設けることができる。
【0014】
また、本発明に係るアンモニア燃料燃焼装置においては、前記の炉内環境検知センサーとして、炉内の温度を検知する炉内温度検知センサーと、炉内におけるＮＯｘ濃度を検知するＮＯｘ濃度検知センサーとの少なくとも一方を設けることができる。
【0015】
また、本発明に係るアンモニア燃料燃焼装置においては、前記の炉内温度検知センサーによって検知された炉内の温度が上昇するか、前記のＮＯｘ濃度検知センサーによって検知されたＮＯｘ濃度が上昇するかの少なくとも一方に従って、前記の制御装置により、前記の第１供給路を通してバーナーに供給する改質アンモニア燃料の量を減少させる一方、前記の第２供給路を通してバーナーに供給するアンモニア燃料の量を増加させるようにすることができる。
【0016】
ここで、前記のように炉内温度検知センサーによって検知された炉内の温度が上昇するか、ＮＯｘ濃度検知センサーによって検知されたＮＯｘ濃度が上昇するかの少なくとも一方に従って、制御装置により、第１供給路を通してバーナーに供給する改質アンモニア燃料の量を減少させて、第２供給路を通してバーナーに供給するアンモニア燃料の量を増加させると、改質アンモニア燃料による燃焼が少なくなって、炉内の温度が高温になっても、燃焼時におけるＮＯｘの発生が抑制される。
【0017】
そして、本発明に係るアンモニア燃料燃焼装置において、前記の炉内温度検知センサーによって検知された炉内の温度が所定温度まで上昇するか、前記のＮＯｘ濃度検知センサーによって検知されたＮＯｘ濃度が所定値に達するかの少なくとも一方の場合には、前記の制御装置により、前記の第１供給路を通して改質アンモニア燃料をバーナーに供給するのを停止させて、前記の第２供給路を通してバーナーにアンモニア燃料だけ供給させることが好ましい。このようにすると、炉内の温度が上昇しているので、バーナーに供給されたアンモニア燃料が炉内において適切に燃焼されるようになると共に、前記の改質アンモニア燃料が燃焼されなくなって、炉内の温度が高温になっても、燃焼時にＮＯｘが発生するのが抑制される。
【発明の効果】
【0018】
本発明におけるアンモニア燃料燃焼装置においては、前記のようにアンモニア供給管を通してアンモニア燃料を改質器に導いてアンモニア燃料の一部を水素ガスと窒素ガスとに分解させ、分解された水素ガスと窒素ガスとを含む改質アンモニア燃料をバーナーに供給する第１供給路と、前記のアンモニア供給管を通してアンモニア燃料をそのままバーナーに供給する第２供給路とを設け、炉内環境検知センサーによって検知された炉内の環境状態に基づいて、制御装置によりアンモニア燃料をバーナーに供給する第１供給路と第２供給路とを制御するようにしたため、第１供給路を通して改質器により分解された水素ガスと窒素ガスとを含む改質アンモニア燃料を、バーナーに供給して燃焼させることにより、炉内の温度が低温でも安定した燃焼が行えるようになる一方、炉内の温度が上昇した場合には、前記の第２供給路を通してアンモニア燃料をバーナーに供給して燃焼させることにより、炉内の温度が高温になっても、燃焼時におけるＮＯｘの発生が抑制される。
【0019】
この結果、本発明におけるアンモニア燃料燃焼装置においては、アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させてバーナーにより炉内で燃焼させるにあたり、アンモニア燃料の一部が分解された水素ガスと窒素ガスとを含む改質アンモニア燃料を燃焼用空気と混合させて、低温でも安定した燃焼が行えるようになると共に、炉内の温度が上昇した場合には、改質アンモニア燃料による燃焼を制御して、燃焼時におけるＮＯｘの発生を抑制できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本発明の実施形態に係るアンモニア燃料燃焼装置の概略説明図である。
【図2】前記の実施形態に係るアンモニア燃料燃焼装置の使用状態を示し、（Ａ）は炉内の温度が低い場合に、第１供給路を通して、改質器により分解された水素ガスと窒素ガスとを含む改質アンモニア燃料だけをバーナーに供給して燃焼させる状態を示した概略説明図、（Ｂ）は炉内の温度が上昇した場合に、第１供給路を通してバーナーに供給する改質アンモニア燃料の量を少なくする一方、第２供給路を通してバーナーにアンモニア燃料を供給して燃焼させる状態を示した概略説明図、（Ｃ）は炉内のＮＯｘ濃度が上昇した場合に、第１供給路を通して改質アンモニア燃料をバーナーに供給するのを停止させて、バーナーに第２供給路を通してアンモニア燃料だけを供給して燃焼させる状態を示した概略説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
以下、本発明の実施形態に係るアンモニア燃料燃焼装置を添付図面に基づいて具体的に説明する。なお、本発明に係るアンモニア燃料燃焼装置は、下記の実施形態に示したものに限定されず、発明の要旨を変更しない範囲において、適宜変更して実施できるものである。
【0022】
本発明の実施形態に係るアンモニア燃料燃焼装置においては、図１に示すように、アンモニア燃料ＮＨ３を供給するアンモニア供給管１０を分岐させ、アンモニア燃料ＮＨ３を改質器２０に導いてアンモニア燃料ＮＨ３の一部を水素ガスＨ２と窒素ガスＮ２とに分解させ、分解された水素ガスＨ２と窒素ガスＮ２とを含む改質アンモニア燃料（ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２）をバーナー３０に供給する第１供給路１１と、アンモニア燃料ＮＨ３をそのままバーナー３０に供給する第２供給路１２とを設けると共に、前記の第１供給路１１に第１制御弁１１ａを設け、第１供給路１１を通して改質器２０に導くアンモニア燃料ＮＨ３の量を制御すると共に、前記の第２供給路１２に第２制御弁１２ａを設け、第２供給路１２を通してバーナー３０に導くアンモニア燃料ＮＨ３の量を制御するようにしている。
【0023】
ここで、前記の改質器２０においては、その内部に、アンモニア燃料ＮＨ３を水素ガスＨ２と窒素ガスＮ２とに分解させる触媒を収容させた触媒改質部２１を設けると共に、この触媒改質部２１内に導かれたアンモニア燃料ＮＨ３を加熱させてアンモニア燃料ＮＨ３の分解作用を活性化させる加熱改質部２２を設けたものを用いている。なお、この実施形態においては、改質器２０として、前記のように触媒改質部２１と加熱改質部２２との両方を有するものを用いたが、触媒は加熱して活性化させなくても分解作用はあり、またアンモニア燃料ＮＨ３は加熱しただけでも分解するので、触媒改質部２１と加熱改質部２２とのいずれかを単独で用いるようにすることも可能である。
【0024】
そして、前記のバーナー３０に対して、空気供給管４０を通して燃焼用空気Ａｉｒを供給し、この燃焼用空気Ａｉｒを、前記の第１供給路１１を通してバーナー３０に導かれた改質アンモニア燃料（ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２）や、前記の第２供給路１２を通してバーナー３０に導かれたアンモニア燃料ＮＨ３と混合させて、バーナー３０により炉１内で燃焼させるようにしている。
【0025】
また、この実施形態におけるアンモニア燃料燃焼装置においては、前記の炉１内における環境状態を検知する炉内環境検知センサー５０として、炉１内の温度を検知する炉内温度検知センサー５１と、炉１内におけるＮＯｘ濃度を検知するＮＯｘ濃度検知センサー５２とを設け、炉内温度検知センサー５１とＮＯｘ濃度検知センサー５２とによって検知された炉１内の温度や炉１内におけるＮＯｘ濃度を制御装置６０に出力し、この制御装置６０により、前記の第１供給路１１に設けられた第１制御弁１１ａと前記の第２供給路１２に設けられた第２制御弁１２ａとを制御するようにしている。なお、前記の各制御弁１１ａ，１２ａについては、開けた状態を白抜きで、閉じた状態を黒塗りで図示した。
【0026】
ここで、この実施形態におけるアンモニア燃料燃焼装置においては、アンモニア燃料ＮＨ３の燃焼を開始させる初期の段階等のように、前記の炉内温度検知センサー５１によって検知される炉１内の温度が低い場合には、アンモニア燃料ＮＨ３をそのまま燃焼させることが困難であるため、図２（Ａ）に示すように、前記の制御装置６０により、前記の第２供給路１２に設けた第２制御弁１２ａを閉じて、第２供給路１２からバーナー３０にアンモニア燃料ＮＨ３を供給させないようにする一方、第１供給路１１に設けた第１制御弁１１ａを開けて、アンモニア供給管１０を通して供給されるアンモニア燃料ＮＨ３を前記の第１供給路１１に設けた前記の触媒改質部２１と加熱改質部２２とを有する改質器２０に導くようにしている。
【0027】
そして、この改質器２０において、前記のアンモニア燃料ＮＨ３の一部を水素ガスＨ２と窒素ガスＮ２とに分解させ、第１供給路１１を通して水素ガスＨ２と窒素ガスＮ２とを含む改質アンモニア燃料（ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２）をバーナー３０に供給し、前記の空気供給管４０を通してバーナー３０に供給された燃焼用空気Ａｉｒと混合させて、炉１内において燃焼させるようにしている。
【0028】
このようにすると、前記の改質アンモニア燃料（ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２）には、アンモニア燃料ＮＨ３の他に燃焼性の高い水素ガスＨ２が含まれているため、アンモニア燃料ＮＨ３だけを燃焼用空気Ａｉｒと混合させて燃焼させる場合に比べて燃焼性が向上し、安定した燃焼が行えるようになる。
【0029】
次いで、前記のように改質アンモニア燃料（ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２）を燃焼用空気Ａｉｒと混合させて、バーナー３０により炉１内において燃焼させた結果、前記の炉内温度検知センサー５１によって検知された炉１内の温度が所定温度（ＮＯｘが発生しだすような温度）まで上昇すると、図２（Ｂ）に示すように、前記の制御装置６０により、前記の第２供給路１２に設けた第２制御弁１２ａを制御して、前記のアンモニア供給管１０から第２供給路１２に供給されるアンモニア燃料ＮＨ３量を調整し、この第２供給路１２を通して適当量のアンモニア燃料ＮＨ３をバーナー３０に供給させると共に、第１供給路１１に設けた第１制御弁１１ａを制御して、アンモニア供給管１０を通して第１供給路１１に供給されるアンモニア燃料ＮＨ３量を調整し、この第１供給路１１を通して適当量のアンモニア燃料ＮＨ３を前記の改質器２０に導いて、アンモニア燃料ＮＨ３の一部を水素ガスＨ２と窒素ガスＮ２とに分解させ、第１供給路１１を通して水素ガスＨ２と窒素ガスＮ２とを含む改質アンモニア燃料（ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２）をバーナー３０に供給する。
【0030】
そして、前記のように第２供給路１２を通してバーナー３０に供給されたアンモニア燃料ＮＨ３と、第１供給路１１を通してバーナー３０に供給された改質アンモニア燃料（ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２）とを、前記の空気供給管４０を通してバーナー３０に供給された燃焼用空気Ａｉｒと混合させて、炉１内において燃焼させるようにする。
【0031】
このようにすると、所定温度まで上昇した炉１内において、アンモニア燃料ＮＨ３が、改質アンモニア燃料（ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２）と一緒になって安定して燃焼されるようになると共に、前記の第１供給路１１を通して改質器２０に導くアンモニア燃料ＮＨ３の量を少なくでき、改質器２０によってアンモニア燃料ＮＨ３を改質アンモニア燃料（ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２）に改質させるための電気代等のコストを低減できたり、触媒の寿命を延ばしたりできるようになる。
【0032】
また、前記のようにアンモニア燃料ＮＨ３と改質アンモニア燃料（ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２）とを燃焼用空気Ａｉｒと混合させて、バーナー３０により炉１内において燃焼させた場合において、前記の炉内温度検知センサー５１によって検知された炉１内の温度がＮＯｘの発生するような高温になったり、前記のＮＯｘ濃度検知センサーによって検知されたＮＯｘ濃度が所定値に達したりすると、図２（Ｃ）に示すように、前記の制御装置６０により、前記の第１供給路１１に設けた第１制御弁１１ａを閉じ、アンモニア供給管１０からアンモニア燃料ＮＨ３が第１供給路１１に設けた改質器２０に供給されないようにする一方、前記の第２供給路１２に設けた第２制御弁１２ａを開けて、前記のアンモニア供給管１０から第２供給路１２を通してアンモニア燃料ＮＨ３をバーナー３０に供給し、前記の空気供給管４０を通してバーナー３０に供給された燃焼用空気Ａｉｒと混合させて、炉１内において燃焼させるようにする。
【0033】
このようにすると、第２供給路１２を通してバーナー３０に供給されたアンモニア燃料ＮＨ３が燃焼用空気Ａｉｒと混合されて、温度が高くなった炉１内において適切に燃焼されるようになると共に、改質アンモニア燃料（ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２）を燃焼させる場合に比べて、燃焼時における燃焼温度が高温になっても、ＮＯｘの発生が抑制されるようになり、ＮＯｘによって環境が害されるのを防止できるようになると共に、改質器２０によってアンモニア燃料ＮＨ３を改質アンモニア燃料（ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２）に改質させるコストをなくすことができる。
【符号の説明】
【0034】
１ ：炉
１０ ：アンモニア供給管
１１ ：第１供給路
１１ａ ：第１制御弁
１２ ：第２供給路
１２ａ ：第２制御弁
２０ ：改質器
２１ ：触媒改質部
２２ ：加熱改質部
３０ ：バーナー
４０ ：空気供給管
５０ ：炉内環境検知センサー
５１ ：炉内温度検知センサー
５２ ：ＮＯｘ濃度検知センサー
６０ ：制御装置
Ａｉｒ ：燃焼用空気
Ｈ２ ：水素ガス
Ｎ２ ：窒素ガス
ＮＨ３ ：アンモニア燃料（アンモニアガス）
ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２ ：改質アンモニア燃料
１０ ：アンモニア供給管
１１ ：第１供給路
１１ａ ：第１制御弁
１２ ：第２供給路
１２ａ ：第２制御弁
２０ ：改質器
２１ ：触媒改質部
２２ ：加熱改質部
３０ ：バーナー
４０ ：空気供給管
５０ ：炉内環境検知センサー
５１ ：炉内温度検知センサー
５２ ：ＮＯｘ濃度検知センサー
６０ ：制御装置
Ａｉｒ ：燃焼用空気
Ｈ２ ：水素ガス
Ｎ２ ：窒素ガス
ＮＨ３ ：アンモニア燃料（アンモニアガス）
ＮＨ３＋Ｈ２＋Ｎ２ ：改質アンモニア燃料
【図1】
【図2】