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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO/0
(43)【国際公開日】2019年3月28日
【発行日】2019年11月14日
(54)【発明の名称】燃焼装置及び燃焼方法
(51)【国際特許分類】
   F23C 1/12 20060101AFI20191018BHJP
【FI】
   F23C1/12
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】27
【出願番号】特願2017-566437(P2017-566437)
(21)【国際出願番号】PCT/0/0
(22)【国際出願日】2017年9月25日
(11)【特許番号】特許第6296216号(P6296216)
(45)【特許公報発行日】2018年3月20日
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】(出願人による申告)平成29年度,国立研究開発法人科学技術振興機構、アンモニアの発電利用に関する事業性評価、産業技術協力強化法第19条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】000211307
【氏名又は名称】中国電力株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100106002
【弁理士】
【氏名又は名称】正林 真之
(74)【代理人】
【識別番号】100120891
【弁理士】
【氏名又は名称】林 一好
(72)【発明者】
【氏名】谷川 博昭
(72)【発明者】
【氏名】和田 泰孝
(72)【発明者】
【氏名】大内 優
(72)【発明者】
【氏名】谷口 直彦
(72)【発明者】
【氏名】田中 輝夫
【テーマコード(参考)】
3K091
【Fターム(参考)】
3K091AA01
3K091BB02
3K091CC13
3K091CC17
3K091CC23
3K091DD10
(57)【要約】
窒素酸化物の発生とアンモニアの不完全燃焼を極力、抑制できる燃焼装置及び燃焼方法を提供する。
燃焼装置6Aは、微粉炭とアンモニアを火炉の内部で混焼できる。燃焼装置6Aは、第1ノズル175と一つ以上の第2ノズル173Bを備える。第1ノズル175は、火炉の内部に向かって微粉炭を噴射する第1噴射口175hを有する。第2ノズル173Bは、第1ノズル175の周囲に配置されている、第2ノズル173Bは、火炉の内部に向かってアンモニアを噴射する第2噴射口173hを有する。第2ノズル173Bの第2噴射口173hは、アンモニアの燃焼火炎が微粉炭の燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向に沿うように、かつ、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に傾斜して開口している。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
微粉炭とアンモニアを火炉の内部で混焼させる燃焼装置であって、
前記火炉の内部に向かって微粉炭を噴射する第1噴射口を有する第1ノズルと、
前記第1ノズルの周囲に配置され、前記火炉の内部に向かってアンモニアを噴射する第2噴射口を有する一つ以上の第2ノズルと、を備え、
前記第2ノズルの第2噴射口は、アンモニアの燃焼火炎が微粉炭の燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向に沿うように、かつ、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に傾斜して開口している、燃焼装置。
【請求項2】
アンモニアを前記第2ノズルに向けて輸送するアンモニアガス供給配管と、
前記第1ノズルを中心部に配置し、前記アンモニアガス供給配管からアンモニアガスが分配される第1ガスリングと、を備え、
前記第2ノズルは、前記第1ノズルの周囲に配置された複数の第2ノズルからなり、
これらの前記第2ノズルは、前記第1ガスリングからアンモニアガスが供給されている、請求項1記載の燃焼装置。
【請求項3】
アンモニアを前記第2ノズルに向けて輸送するアンモニアガス供給配管と、
ガス燃料が輸送されるガス燃料配管と、
前記第1ノズルを中心部に配置し、前記ガス燃料配管からガス燃料が分配される第2ガスリングと、
前記第1ノズルの周囲に配置した単一の前記第2ノズルと、
前記第1ノズルの周囲に配置し、前記火炉の内部に向かってガス燃料を噴射する一つ以上の第3ノズルと、
前記第2ガスリングと前記第2ノズル及び前記第3ノズルを接続するバーナノズルと、を備え、
前記第2ノズルを接続したバーナノズルは、当該バーナノズルの流路を開閉自在なガス燃料配管遮断弁を有し、
前記アンモニアガス供給配管は、前記ガス燃料配管遮断弁を閉じた状態で、前記第2噴射口からアンモニアを噴射可能に、前記第2ノズルに接続したバーナノズルに直結している、請求項1記載の燃焼装置。
【請求項4】
請求項1から3のいずれかに記載の燃焼装置に用いられ、微粉炭とアンモニアを火炉の内部で混焼させる燃焼方法であって、
前記第1ノズルから燃焼可能に噴射される微粉炭に対して、前記第2ノズルから燃焼可能に噴射されるアンモニアの混焼率が、0.8%以上である、燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃焼装置及び燃焼方法に関する。特に、火力発電所などの発電設備などに好適な燃焼装置の構造及び燃焼方法に関する。
【背景技術】
【0002】
火力発電所などは、発電設備としてボイラを設置している。ボイラは、石炭・天然ガス・軽油・重油などの化石燃料をバーナで燃焼させた熱を利用して、高温高圧の蒸気を発生させている。しかし、これらの化石燃料を燃焼させると、二酸化炭素が発生するため、地球温暖化の原因になっている。このため、近年、カーボンクレジット(排出枠)といった形で二酸化炭素を抑制する動きがある。
【0003】
例えば、LNG(液化天然ガス)は、二酸化炭素の排出量がLPG(液化石油ガス)より少ない。このため、LNGを火力発電所の燃料として使用している。LNGなどのガス燃料は、輸送の際に便宜上、液化が必要である。又、LNGの場合、液化するためにマイナス162度程度の低温状態にする必要があるため、液化が容易ではなく、低温貯蔵の設備のコストも増加するという問題がある。
【0004】
このようなことから、二酸化炭素を発生しない燃料として、アンモニアガスの利用が提案されている(例えば、特許文献1参照)。アンモニアは、マイナス33度程度で液化すので、例えば、液化にマイナス162度程度必要なLNGと比べて液化が容易であり、設備のコストも安価で済むという利点がある。
【0005】
又、天然ガスとBOG(boil off gas)の混合ガスと微粉炭とをボイラの内部で混焼可能な同軸バーナを有する多重燃料焚き燃焼装置が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
【0006】
特許文献2による同軸バーナは、微粉炭の火炎をボイラの内部に噴射する内管と、この内管の周囲を囲い、天然ガスとBOGの混合ガスの火炎を微粉炭の火炎の噴射方向と同軸方向に噴射する外管で構成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開2016−183840号公報
【特許文献2】特開2007−17030号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかし、アンモニアを燃焼させると、アンモニア成分中に含まれる窒素分が酸素と結び付き、窒素酸化物となる懸念がある。
【0009】
又、アンモニアは燃焼速度が小さく、具体的には、例えばプロパンガスの燃焼速度が40cm/sであるところ、アンモニアの燃焼速度は、8cm/sに過ぎない(このため、アンモニアを燃焼させた場合の火炎は長くなる)。
【0010】
したがって、アンモニアを他の燃料と混焼させる場合、例えば、特許文献2の図3及び図4に開示したように、同軸バーナを用いて、水平に同軸で噴射して燃焼させると、他の燃料の火炎に対して、アンモニアの火炎が遅延することで、燃焼空間の大小や形状によっては、アンモニアが不完全燃焼してしまう可能性がある。
【0011】
このようなことから、窒素酸化物の発生とアンモニアの不完全燃焼を極力、抑制できる燃焼装置及び燃焼方法が求められている。そして、以上のことが本発明の課題といってよい。
【0012】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、窒素酸化物の発生とアンモニアの不完全燃焼を極力、抑制できる燃焼装置及び燃焼方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明者らは、微粉炭とアンモニアを火炉の内部で混焼する燃焼装置であって、アンモニアを燃焼させた火炎が微粉炭の燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向に沿うように、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に傾斜して噴射することで、窒素酸化物の発生とアンモニアの不完全燃焼を極力、抑制できると考え、これに基づいて、以下のような新たな燃焼装置及び燃焼方法を発明するに至った。
【0014】
(1)本発明による燃焼装置は、微粉炭とアンモニアを火炉の内部で混焼させる燃焼装置であって、前記火炉の内部に向かって微粉炭を噴射する第1噴射口を有する第1ノズルと、前記第1ノズルの周囲に配置され、前記火炉の内部に向かってアンモニアを噴射する第2噴射口を有する一つ以上の第2ノズルと、を備え、前記第2ノズルの第2噴射口は、アンモニアの燃焼火炎が微粉炭の燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向に沿うように、かつ、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に傾斜して開口している。
【0015】
(2)本発明による燃焼装置は、アンモニアを前記第2ノズルに向けて輸送するアンモニアガス供給配管と、前記第1ノズルを中心部に配置し、前記アンモニアガス供給配管からアンモニアガスが分配される第1ガスリングと、を備え、前記第2ノズルは、前記第1ノズルの周囲に配置された複数の第2ノズルからなり、これらの前記第2ノズルは、前記第1ガスリングからアンモニアガスが供給されていてもよい。
【0016】
(3)本発明による燃焼装置は、アンモニアを前記第2ノズルに向けて輸送するアンモニアガス供給配管と、ガス燃料が輸送されるガス燃料配管と、前記第1ノズルを中心部に配置し、前記ガス燃料配管からガス燃料が分配される第2ガスリングと、前記第1ノズルの周囲に配置した単一の前記第2ノズルと、前記第1ノズルの周囲に配置し、前記火炉の内部に向かってガス燃料を噴射する一つ以上の第3ノズルと、前記第2ガスリングと前記第2ノズル及び前記第3ノズルを接続するバーナノズルと、を備え、前記第2ノズルを接続したバーナノズルは、当該バーナノズルの流路を開閉自在なガス燃料配管遮断弁を有し、前記アンモニアガス供給配管は、前記ガス燃料配管遮断弁を閉じた状態で、前記第2噴射口からアンモニアを噴射可能に、前記第2ノズルに接続したバーナノズルに直結していてもよい。
【0017】
(4)本発明による燃焼方法は、(1)から(3)のいずれかに記載の燃焼装置に用いられ、微粉炭とアンモニアを火炉の内部で混焼させる燃焼方法であって、前記第1ノズルから燃焼可能に噴射される微粉炭に対して、前記第2ノズルから燃焼可能に噴射されるアンモニアの混焼率が、0.8%以上である。
【発明の効果】
【0018】
本発明による燃焼装置は、微粉炭とアンモニアを火炉の内部で混焼する燃焼装置であって、アンモニアを燃焼させた火炎が微粉炭を燃焼させた燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向に沿うように、かつ、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に傾斜して噴射するので、アンモニアの燃焼時間を確保でき、アンモニアの不完全燃焼を極力、抑制できる。
【0019】
本発明による燃焼方法は、第1ノズルから燃焼可能に噴射される微粉炭に対して、第2ノズルから燃焼可能に噴射されるアンモニアの混焼率を0.8%以上とすることで、窒素酸化物の発生を極力、抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
図1】本発明による燃焼装置を備えた火力発電設備の一実施形態による構成を示す機能ブロック図である。
図2】本発明の第1実施形態による燃焼装置の構成を示す斜視図である。
図3】第1実施形態による燃焼装置に備わる第1ガスリングを拡大した正面図である。
図4】第1実施形態による燃焼装置に備わる第1ノズルを拡大した縦断面図である。
図5】第1実施形態による燃焼装置に備わる第1ノズルの先端部を拡大した縦断面図である。
図6図5のX矢視図である。
図7】第1実施形態による燃焼装置に備わる複数の第2ノズルの配置図であり、複数の第2ノズルを火炉側から観た状態図である。
図8】本発明の第2実施形態による燃焼装置の構成を示す斜視図である。
図9】第2実施形態による燃焼装置に備わる第2ガスリングを拡大した正面図である。
図10】本発明の第3実施形態による燃焼装置の構成を示す斜視図である。
図11】第3実施形態による燃焼装置に備わる第3ガスリングを拡大した正面図である。
図12】第3実施形態による燃焼装置に備わる第2ノズル及び第4ノズルの配置図であり、第2ノズル及び第4ノズルを火炉側から観た状態図である。
図13】第3実施形態による燃焼装置を用いて、燃焼試験したときに用いたアンモニア燃焼量の計時変化を示すグラフである。
図14】第3実施形態による燃焼装置を用いて、燃焼試験したときに用いた石炭使用量の計時変化を示す図であり、図14(a)は、単位時間当たりの石炭使用量の計時変化を示すグラフ、図14(b)は、単位時間当たりの石炭使用量の計時変化を示す表、図14(c)は、発電設備の平均出力の計時変化を示す表である。
図15】第3実施形態による燃焼装置を用いて、燃焼装置の出口のアンモニア濃度を計測した計測点を示す図である。
図16】第3実施形態による燃焼装置を用いて、燃焼装置の出口のNOx値の計時変化を示す図であり、図16(a)は、NOx値の計時変化を示すグラフ、図16(b)は、NOx値の計時変化を示す表、図16(c)は、発電設備の平均出力の計時変化を示す表である。
図17】第3実施形態による燃焼装置を用いて、燃焼装置から排出される排気ガス中のCO2含有量の計時変化を示す図であり、図17(a)は、単位時間当たりのアンモニア注入量とCO2含有量の計時変化を示すグラフ、図17(b)は、単位時間当たりのアンモニア注入量とCO2含有量の計時変化を示す表である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
[火力発電設備の構成]
最初に、本発明による燃焼装置を備えた火力発電設備の一実施形態による構成を説明する。図1は、本発明による燃焼装置を備えた火力発電設備の一実施形態による構成を示す機能ブロック図である。
【0022】
図1を参照すると、一実施形態の火力発電設備1は、アンモニアガスを燃焼可能なシステムであるが、微粉炭、油、天然ガス、又は、BOGなどのアンモニアガス以外も燃焼可能である。
【0023】
図1を参照すると、火力発電設備1は、アンモニアガス供給設備2とアンモニアガス燃料用配管設備3を備えている。又、火力発電設備1は、ボイラ(火炉)6、脱硝設備90、及び、ガス燃料供給部70を備えている。ガス燃料供給部70は、ガス燃料配管170を介して、アンモニアガス以外のガス燃料をボイラ6に供給できる。更に、火力発電設備1は、制御部7を備えている。制御部7は、これら装置の全体を制御している。
【0024】
(アンモニアガス供給設備の構成)
次に、実施形態によるアンモニアガス供給設備2の構成を説明する。図1を参照すると、アンモニアガス供給設備2は、貯蔵タンク10と気化器20を備えている。又、アンモニアガス供給設備2は、アキュムレータ30とアンモニアガス吸収部80を備えている。なお、アンモニアガス吸収部80は、実態として、水を貯蔵した貯水槽である。アンモニアガス吸収部80は、アンモニアガス供給設備2に設けたブロー弁81から排出されたアンモニアガスを水に吸収できる。
【0025】
(貯蔵タンクの構成)
次に、実施形態による貯蔵タンク10の構成を説明する。図1を参照すると、貯蔵タンク10は、加圧されて液化された液体アンモニアを貯蔵している。貯蔵タンク10は、配管110を介して、気化器20に接続している。配管110は、気化器20に至る途中が二方向に分岐している。分岐された一方の配管110aには、気化器起動弁11及び気化器20内の圧力を制御する気化器圧力調整弁12が上流側から順次配置されている。分岐された他方の配管110bには、気化器バイパス弁13が配置されている。
【0026】
(気化器の構成)
次に、実施形態による気化器20の構成を説明する。図1を参照すると、気化器20は、貯蔵タンク10から供給される液体アンモニアを加熱して気化させている。気化器20の内部の液体アンモニアは、温水中に浸漬されたコイル状配管内を通って昇温されて気化されることで、アンモニアガスを生成できる。気化器20の下流側は、配管120を介して、アキュムレータ30に接続している。
【0027】
図1を参照すると、配管120は、アキュムレータ30に至る途中が二方向に分岐している。分岐された一方の配管120aには、アキュムレータ起動弁21、アキュムレータ30内の圧力を制御するアキュムレータ圧力調整弁22が上流側から順次配置している。分岐された他方の配管120bには、アキュムレータバイパス弁23を配置している。
【0028】
(アキュムレータの構成)
次に、実施形態によるアキュムレータ30の構成を説明する。図1を参照すると、アキュムレータ30は、アンモニアガスを蓄積し、圧力を安定させる装置である。アキュムレータ30の下流側からは配管130が延びている。配管130は、二方向に分岐している。分岐された一方の配管132は、ヘッダー40に接続している。分岐された他方の配管131は、アンモニアガス燃料用配管設備3に接続している。
【0029】
(ヘッダーの構成)
次に、実施形態によるヘッダー40の構成を説明する。図1を参照すると、ヘッダー40は、その下流側に配管140を接続している。配管140は、複数の脱硝配管141・142・143に分岐している。これらの脱硝配管141・142・143は、脱硝遮断弁41・42・43を介して、脱硝設備90に接続している。
【0030】
(脱硝設備の構成)
次に、実施形態による脱硝設備90の構成を説明する。図1を参照すると、脱硝設備90は、三つの脱硝装置91・92・93で構成している。脱硝配管141・142・143は、三つの脱硝装置91・92・93にそれぞれ接続している。脱硝配管141・142・143には、燃焼装置6から燃焼で生じた排ガスが送り込まれ、141・142・143の内の脱硝遮断弁41・42・43が開いている配管から流入されたアンモニアガスを還元剤として、排ガス中の窒素酸化物を無害な窒素ガスと水とに転換できる。
【0031】
(アンモニアガス燃料用配管設備の構成)
次に、実施形態によるアンモニアガス燃料用配管設備3の構成を説明する。図1を参照すると、アキュムレータ30から延びる配管130から分岐した配管131は、アンモニアガス燃料用配管設備3に接続している。配管131の上流側は、遮断弁31を設けている。遮断弁31の下流側は、パージ弁36を介して、パージ配管133を接続している。パージ配管133の末端部には、パージ用ガス供給部37を接続している。パージ用ガス供給部37は、窒素ガスなどのパージガスをアンモニアガス燃料用配管設備3に流入できる。
【0032】
図1を参照すると、配管131におけるパージ配管133が接続されている接続部よりも下流側は、二方向に分岐している。分岐された一方の配管131aには、圧力調整弁32を配置している。分岐された他方の配管131bには、遮断弁33を配置している。配管131aと配管131bとは、下流側で再度合流している。合流した配管131は、遮断弁34を介して流量計50に接続している。
【0033】
図1を参照すると、流量計50は、配管131を流れるガスの流量を測定している。流量計50の下流側からは、配管150が延びている。配管150は、その途中が二方向に分岐している。分岐された一方の配管150aには、流量調整弁51を配置している。分岐された他方の配管150bには、遮断弁52を配置している。配管150aと配管150bとは、下流側で再度合流している。
【0034】
図1を参照すると、合流した配管150の下流側は、第2接続部56で二方向に分岐している。分岐された一方の配管は、アンモニアガス流出配管151aであり、アンモニア流出遮断弁55を介して、アンモニアガス供給設備2のアンモニアガス吸収部80に接続している。アンモニアガス吸収部80は、上述のように貯水槽であり、アンモニアガスを水に溶解できる。
【0035】
図1を参照すると、分岐された他方のアンモニアガス供給配管151bには、バーナ弁53を配置している。配管150におけるバーナ弁53の下流側には、冷却空気が流入される冷却配管160が冷却空気弁61を介して、接続されている。なお、アンモニアガス流出配管151aは、バーナ弁53の下流で分岐していてもよい。
【0036】
図1を参照すると、アンモニアガス供給配管151bの下流側は、遮断弁54を介して、ガス燃料供給部70から、ボイラ6のバーナ62Aまで延びるガス燃料配管170の第1接続部72に接続している。
【0037】
(ガス燃料供給部の構成)
次に、実施形態によるガス燃料供給部70の構成を説明する。図1を参照すると、ガス燃料供給部70には、LNG(液化天然ガス)を貯蔵している。LNGを液化して貯蔵する場合に、外部からの自然入熱などによりLNGが気化して、BOGガス(boil off gas)が発生する。本実施形態では、ガス燃料配管170は、このBOGを燃料として後述するバーナに輸送する配管である。
【0038】
図1を参照すると、ガス燃料配管170は、第1接続部72の下流側において、燃焼装置6のバーナに接続している。ガス燃料配管170における第1接続部72の上流側には、ガス燃料配管遮断弁71を配置している。
【0039】
図1を参照して、遮断弁54を閉じると共に、ガス燃料配管遮断弁71を開くことで、BOGをバーナ62Aに供給できる。遮断弁54を開くと共に、ガス燃料配管遮断弁71を閉じることで、アンモニアをバーナに供給できる。
【0040】
(ボイラの構成)
次に、ボイラ6の構成を説明する。図1を参照すると、ボイラ6は、複数のバーナを縦横に配列している。実施形態では、四段のバーナ62A・62B・62C・62Dを高さ方向に配列している。又、これらのバーナは、水平方向に四列に配置している。
【0041】
図1を参照すると、四段のバーナ62A・62B・62C・62Dには、石炭貯蔵部75から燃料としての石炭(微粉炭)が供給されている。最上段の4つのバーナ62Aには、ガス燃料又はアンモニアを供給できる。
【0042】
図1を参照して、本発明による燃焼装置は、実体として、ボイラ6の最上段に配置される四つのバーナ62Aである。そして、最上段の4つのバーナ62Aの全て又は一部にアンモニアを供給することで、実施形態が異なっている。以下、第1実施形態による燃焼装置を燃焼装置6Aとし、第2実施形態による燃焼装置を燃焼装置6Bとし、第3実施形態による燃焼装置を燃焼装置6Cとして、これらの燃焼装置の構成及び作用を説明する。
【0043】
[第1実施形態]
(燃焼装置の構成)
次に、第1実施形態による燃焼装置の構成を説明する。なお、第1実施形態による燃焼装置は、図1に開示したガス燃料供給部70を備えていない。
【0044】
図2は、本発明の第1実施形態による燃焼装置の構成を示す斜視図である。図3は、第1実施形態による燃焼装置に備わるガスリングを拡大した正面図である。
【0045】
図4は、第1実施形態による燃焼装置に備わる第1ノズルを拡大した縦断面図である。図5は、第1実施形態による燃焼装置に備わる第1ノズルの先端部を拡大した縦断面図である。図6は、図5のX矢視図である。
【0046】
図7は、第1実施形態による燃焼装置に備わる複数の第2ノズルの配置図であり、複数の第2ノズルを火炉側から観た状態図である。
【0047】
図2又は図3を参照すると、第1実施形態による燃焼装置6Aは、円弧状の第1ガスリング171を備えている。第1ガスリング171は、円筒状のパイプ部材を円弧状に形成している。第1ガスリング171は、その一部が中断している。第1ガスリング171は、その両端部を閉塞している。第1ガスリング171は、アンモニアガス供給配管151bからアンモニアガスが供給されている。
【0048】
図3又は図4を参照すると、第1ガスリング171は、長尺の第1ノズル175を中心部に配置している。第1ノズル175の周囲には、五つの長尺の第2ノズル173A・173B・173C・173D・173Eを配置している。なお、これらの第2ノズル173A・173B・173C・173D・173Eは、同じものであるので、第2ノズル173Bを代表して説明することがある。
【0049】
図3又は図4を参照すると、第1ガスリング171は、中心部に向かって、五つのバーナノズル172A・172B・172C・172D・172Eを突出している。これらのバーナノズル172A・172B・172C・172D・172Eは、第2ノズル173A・173B・173C・173D・173Eに接続している。
【0050】
図3又は図4を参照して、第1ガスリング171にアンモニアガスを供給すると、これらの第2ノズル173A・173B・173C・173D・173Eの先端部に設けた第2噴射口173hからアンモニアガスを噴射できる(図5又は図6参照)。
【0051】
このように、第1実施形態による燃焼装置6Aは、ボイラ6の最上段に配置された四つの第1ガスリング171にアンモニアガスを供給し、第1ガスリング171に接続した五つの第2ノズル173A・173B・173C・173D・173Eからアンモニアガスを噴射できる。つまり、火炉の内部に向かって、一つの第2ノズル173Bからアンモニアガスを噴射できる。
【0052】
図3を参照すると、バーナノズル172A・172B・172C・172D・172Eには、ガス燃料配管遮断弁71Bをそれぞれ設けている。ガス燃料配管遮断弁71Bを開くことで、第2噴射口173hからアンモニアガスを噴射できる(図5又は図6参照)。ガス燃料配管遮断弁71Bを閉じることで、第2噴射口173hからアンモニアガスの噴射を停止できる。
【0053】
図4を参照すると、第1ノズル175は、第1噴射口175hを先端部に開口している。第1噴射口175hは、燃焼装置6Aの火炉の内部に向かって水平方向に微粉炭を噴射できる。又、第1ノズル175は、重軽油バーナ174を内部に保持している。重軽油バーナ174は、燃焼装置6Aの火炉の内部に向かって霧状の重油又は軽油を噴射できる。この重油又は軽油を点火することで、第1ノズル175から噴射した微粉炭を燃焼できる。又、第2噴射口173hから噴射したアンモニアガスを混燃できる。
【0054】
図5を参照すると、第2ノズル173Bは、その軸方向が第1ノズル175と略平行に配置される。第2ノズル173Bの第2噴射口173hは、第2ノズル173Bの内径に比べて、その内径を小さく形成している。これにより、第2ノズル173Bに流れるアンモニアガスを加速して、第2噴射口173hからアンモニアガスを噴射できる。
【0055】
又、図5又は図6を参照すると、第2噴射口173hは、第2ノズル173Bの内部に流通するアンモニアガスの流通方向C0(つまり、第1ノズル175から噴射される微粉炭の噴射方向に略平行な方向)に対して、アンモニアガスの噴射方向Cを屈曲して噴射している。
【0056】
より詳細には、図5参照すると、第2噴射口173hは、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向Bに沿うように開口している。これにより、第2噴射口173hから噴射されるアンモニアガスは、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向Bに沿うように噴射される。
尚、本明細書において、「接線方向Bに沿うように」とは、接線方向Bに対して実際にアンモニアガスが噴射される噴射方向C(図6に示す角度θ)が、±30度程度の範囲に収まる状態を表す。
尚、図6及び図7に示す矢印Aは、第2噴射口173hから第1噴射口175hの中心に向かう方向を示す。
【0057】
又、図5を参照すると、アンモニアガスの噴射方向Cは、接線方向Bに対して微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に所定の角度αで傾斜している。言い換えれば、アンモニアガスの噴射方向Cは、図6に示すように第2ノズル173Bを正面視した場合において接線方向Bに沿うように、かつ、図6における紙面の手前側に所定の角度αに傾斜している。
アンモニアガスの噴射方向Cの、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側への傾斜角度αを持たせることが好ましい。
【0058】
図7参照すると、燃焼装置6Aは、アンモニアを燃焼させた火炎が微粉炭を燃焼させた燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向Bに沿うように、かつ、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に傾斜して噴射するので、アンモニアの燃焼時間を確保でき、アンモニアの不完全燃焼を極力、抑制できる。
【0059】
(燃焼装置の作用)
次に、第1実施形態による燃焼装置の作用及び効果を説明する。
【0060】
図2から図7を参照すると、第1実施形態による燃焼装置6Aは、微粉炭とアンモニアを火炉の内部で混焼する燃焼装置6Aであって、アンモニアを燃焼させた火炎が微粉炭の燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向に沿うように、第2ノズル173A・173B・173C・173D・173Eからアンモニアを噴射するので、微粉炭の燃焼火炎により、アンモニアの不完全燃焼を極力、抑制できる。
【0061】
図7を参照すると、第2ノズル173A・173B・173C・173D・173Eから、微粉炭の燃焼火炎の接線方向に沿うように、アンモニアを噴射するので、微粉炭の燃焼火炎の周囲に旋回流を形成することも可能である。
【0062】
特許文献2の図3及び図4に開示したように、同軸バーナを用いて、水平に同軸で噴射して燃焼させると、他の燃料の火炎に対して、アンモニアの火炎が遅延することで、燃焼空間の大小や形状によっては、アンモニアが不完全燃焼してしまう可能性があった。
【0063】
第1実施形態による燃焼装置6Aは、アンモニアを燃焼させた火炎が、微粉炭を燃焼させた火炎の周囲を微粉炭の燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向に沿うように、かつ、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に傾斜してアンモニアを噴射するので、アンモニアの燃焼時間を確保することで、アンモニアの不完全燃焼を極力、抑制できる。なお、第1実施形態による燃焼装置6Aは、窒素酸化物の発生を抑制できるが、その実現性については、第3実施形態で説明する。
【0064】
[第2実施形態]
(燃焼装置の構成)
次に、第2実施形態による燃焼装置の構成を説明する。
【0065】
図8は、本発明の第2実施形態による燃焼装置の構成を示す斜視図である。図9は、第2実施形態による燃焼装置に備わるガスリングを拡大した正面図である。
【0066】
なお、第1実施形態で用いた符号と同じ符号を付した構成品は、その作用を同じにするので、説明を省略することがある。
【0067】
図8を参照すると、第2実施形態による燃焼装置6Bは、円弧状の第2ガスリング178を備えている。図9を参照すると、第2ガスリング178は、長尺の第1ノズル175を中心部に配置している。第1ノズル175の周囲には、長尺の第2ノズル173Bを配置している。又、第1ノズル175の周囲には、長尺の第3ノズル178A・178C・178D・178Eを配置している。
【0068】
図9を参照すると、第2ガスリング178は、中心部に向かって、五つのバーナノズル172A・172B・172C・172D・172Eを突出している。バーナノズル172Bは、第2ノズル173Bに接続している。又、バーナノズル172A・172C・172D・172Eは、第3ノズル178A・178C・178D・178Eに接続している。
【0069】
図9を参照すると、バーナノズル172Bには、アンモニアガス供給配管151bからアンモニアガスが供給されている。バーナノズル172Bにアンモニアガスを供給すると、第2ノズル173Bの先端部に設けた第2噴射口173hからアンモニアガスを噴射できる(図5又は図6参照)。そして、微粉炭とアンモニアを火炉の内部で混焼できる。
【0070】
このように、第2実施形態による燃焼装置6Bは、ボイラ6の最上段に配置された四つの第2ガスリング178のバーナノズル172Bにアンモニアガスを供給し、バーナノズル172Bに接続した一つの第2ノズル173Bからアンモニアガスを噴射できる。つまり、火炉の内部に向かって、四つの第2ノズル173Bからアンモニアガスを噴射できる。
【0071】
図9を参照すると、バーナノズル172Bにおけるアンモニアガス供給配管151bとの接続部よりも上流側には、ガス燃料配管遮断弁71Bを設けている。
【0072】
図9を参照すると、第2ガスリング178は、ガス燃料配管170を接続している(図1参照)。ガス燃料配管遮断弁71Bを閉じた状態では、バーナノズル172A・172C・172D・172Eを介して、第3ノズル178A・178C・178D・178Eにガス燃料を供給できる。そして、第3ノズル178A・178C・178D・178Eの先端部から、火炉の内部に向かってガス燃料を噴射し、ガス燃料を燃焼できる。
【0073】
図9を参照して、遮断弁54を閉じ、ガス燃料配管遮断弁71Bを開いた状態では、バーナノズル172Bを介して、第2ノズル173Bからガス燃料を噴射することもできる。このように、第2実施形態による燃焼装置6Bは、最上段のバーナ62Aでガス燃料を燃焼することもできる。この場合、最上段のバーナ62Aで微粉炭とガス燃料を火炉の内部で混焼することなく、バーナ62B・62C・62Dで微粉炭を燃焼することが好ましい。
【0074】
図2から図9を参照して、第1ガスリング171と第2ガスリング178は、構造的に同じものであるが、流通する燃焼が異なることから、符号を変えて区別した。同様に、第2ノズル173Bと第3ノズル178A・178C・178D・178Eは、構造的に同じものであるが、流通する燃焼が異なることから、符号を変えて区別した。
【0075】
図3図9を対比すると、第1実施形態による燃焼装置6Aは、全ての第1ノズル173A・173B・173C・173D・173Eからアンモニアガスを噴射しているのに対し、第2実施形態による燃焼装置6Bは、特定の第2ノズル173Bからアンモニアガスを噴射できると、いう違いがある。
【0076】
図5から図7を参照すると、第2噴射口173hから噴射されるアンモニアの燃焼火炎が、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向に沿うように、かつ、第1噴射口175hの周囲を所定の傾斜角度αで開口していることで、アンモニアの燃焼時間を確保でき、アンモニアを完全燃焼できる。
【0077】
図9を参照すると、第2ガスリング178には、ガス燃料配管170に換えて、空気の供給ライン(図示せず)に接続することもできる。この場合、図7を参照して、第2ノズル173A・173B・173C・173D・173Eから、微粉炭の燃焼火炎の接線方向に沿うように、空気を噴射するので、微粉炭の燃焼火炎の周囲に旋回流を形成することも可能である。
【0078】
なお、図8を参照すると、ボイラ6の最上段の右端(A)及び右から3番目(C)に配置された第2ガスリング178のバーナノズル173Bから噴射されるアンモニアガスが時計方向Rに旋回するのに対し、ボイラ6の最上段の左端(D)及び左から3番目(B)に配置された第2ガスリング178のバーナノズル178Cから噴射されるアンモニアガスが反時計方向Lに旋回できる。又、これにより、アンモニアガスを偏ることなく、均一に燃焼することが可能になる。
【0079】
(燃焼装置の作用)
次に、第2実施形態による燃焼装置の作用及び効果を説明する。
【0080】
図8又は図9を参照すると、第2実施形態による燃焼装置6Bは、アンモニアを燃焼させた火炎が、微粉炭を燃焼させた燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向Bに沿うように、かつ、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に所定角度α傾斜して噴射するので、アンモニアの燃焼時間を確保でき、アンモニアの不完全燃焼を極力、抑制できる。
[第3実施形態]
(燃焼装置の構成)
次に、第3実施形態による燃焼装置の構成を説明する。
【0081】
図10は、本発明の第3実施形態による燃焼装置の構成を示す斜視図である。図11は、第3実施形態による燃焼装置に備わる第3ガスリングを拡大した正面図である。図12は、第3実施形態による燃焼装置に備わる第2ノズル及び第4ノズルの配置図であり、第2ノズル及び第4ノズルを火炉側から観た状態図である。
【0082】
なお、第1実施形態及び第2実施形態で用いた符号と同じ符号を付した構成品は、その作用を同じにするので、説明を省略することがある。
【0083】
図10又は図11を参照すると、第3実施形態による燃焼装置6Cは、最上段のバーナ62Aの最も右側に配置している。そして、最上段のバーナ62Aの左側3列には、アンモニアガスが供給されない燃焼装置6Dを配置している。燃焼装置6Cがアンモニアを噴射するに対し、燃焼装置6Dは、ガス燃料のみを噴射できる。燃焼装置6C及び6Dは、第3ガスリング179を備えている。図11を参照すると、第3ガスリング179は、長尺の第1ノズル175を中心部に配置している。
【0084】
図10又は図11を参照すると、燃焼装置6Cは、長尺の第2ノズル173Bを第1ノズル175の周囲に配置している。又、燃焼装置6Cは、長尺の第4ノズル179A・179C・179D・179Eを第1ノズル175の周囲に配置している。燃焼装置6Dは、長尺の第4ノズル179A・179B・179C・179D・179Eを第1ノズル175の周囲に配置している。
【0085】
図11を参照すると、燃焼装置6Dの第3ガスリング179は、中心部に向かって、五つのバーナノズル172A・172B・172C・172D・172Eを突出している。バーナノズル172Bは、第2ノズル173Bに接続している。又、バーナノズル172A・172C・172D・172Eは、第4ノズル179A・179C・179D・179Eに接続している。
【0086】
図11を参照すると、第2ノズル173Bには、アンモニアガス供給配管151bからアンモニアガスが供給されている。第2ノズル173Bにアンモニアガスを供給すると、第2ノズル173Bの先端部に設けた第2噴射口173hからアンモニアガスを噴射できる(図5又は図6参照)。そして、微粉炭とアンモニアを火炉の内部で混焼できる。
【0087】
このように、第3実施形態による燃焼装置6Cは、ボイラ6の最上段の右端に配置された一つの第3ガスリング179のバーナノズル172Bにアンモニアガスを供給し、バーナノズル172Bに接続した一つの第2ノズル173Bからアンモニアガスを噴射できる。
【0088】
図12を参照すると、燃焼装置6Cの第3ガスリング179は、ガス燃料配管170を接続している(図1参照)。ガス燃料配管遮断弁71Bを閉じた状態では、バーナノズル172A・172C・172D・172Eを介して、第4ノズル179A・179C・179D・179Eにガス燃料を供給できる。そして、第4ノズル179A・179C・179D・179Eの先端部から、火炉の内部に向かってガス燃料を噴射し、ガス燃料を燃焼できる。
【0089】
図11を参照すると、バーナノズル172Bにおけるアンモニアガス供給配管151bとの接続部よりも上流側には、ガス燃料配管遮断弁71Bを設けている。
【0090】
図11を参照して、遮断弁54を閉じ、ガス燃料配管遮断弁71Bを開いた状態では、バーナノズル172Bを介して、第2ノズル173Bからガス燃料を噴射することもできる。このように、第3実施形態による燃焼装置6Cは、ガス燃料を燃焼することもできる。この場合、燃焼装置6Cで微粉炭とガス燃料を火炉の内部で混焼することなく、バーナ62A・62B・62C・62Dで微粉炭を燃焼することが好ましい。
【0091】
図2から図11を参照して、第1ガスリング171と第3ガスリング179は、構造的に同じものであるが、流通する燃焼が異なることから、符号を変えて区別した。同様に、第2ノズル173Bと第4ノズル179A・179B・179C・179D・179Eは、構造的に同じものであるが、流通する燃焼が異なることから、符号を変えて区別した。
【0092】
図11を参照すると、アンモニアガス供給配管151bには、遮断弁54を設けている。遮断弁54の上流において、戻り配管176が分岐している。戻り配管176には。遮断弁177を設けている。戻り配管176は、アンモニアガス供給配管151bから、アンモニアガスをバーナノズル172Bに供給しない時に用いる配管であり、供給しない場合、遮断弁54を閉じ、遮断弁177を開放する。
【0093】
図11を参照すると、アンモニアガスをバーナノズル172Bに供給する際は、遮断弁54が開放され、ガス燃料配管遮断弁71Bと遮断弁177が閉じられる。
【0094】
図8及び図9図10とを対比すると、第2実施形態による燃焼装置6Bは、全ての第2ガスリング178の第2ノズル173Bからアンモニアガスを噴射しているのに対し、第3実施形態による燃焼装置6Cは、特定の第3ガスリング179の第2ノズル173Bからアンモニアガスを噴射しているという違いがある。
【0095】
図8図10を対比すると、燃焼装置6Bと燃焼装置6Cとは同じものであり、第2実施形態は、燃焼装置6Bを四基配列しているのに対し、第3実施形態は、燃焼装置6Bを一基のみ配列しているという違いがある。
【0096】
図5から図7を参照すると、燃焼装置6Cは、アンモニアを燃焼させた火炎が微粉炭を燃焼させた燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向Bに沿うように、かつ、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に所定角度α傾斜して噴射するので、アンモニアの燃焼時間を確保でき、アンモニアの不完全燃焼を極力、抑制できる。
【0097】
図11を参照すると、第3ガスリング179には、ガス燃料配管170に換えて、空気の供給ライン(図示せず)に接続することもできる。この場合、図7を援用すると、第4ノズル179A・179C・179D・179Eから、微粉炭の燃焼火炎の接線方向に沿うように、空気を噴射するので、微粉炭の燃焼火炎の周囲に旋回流を形成することも可能である。
【0098】
(燃焼装置の作用)
次に、第3実施形態による燃焼装置の作用及び効果を説明する。
【0099】
図10から図12を参照すると、第3実施形態による燃焼装置6Cは、微粉炭とアンモニアを火炉の内部で混焼する燃焼装置6Cであって、アンモニアを燃焼させた火炎が、微粉炭を燃焼させた火炎の周囲を微粉炭の燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向に沿うように、かつ、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に所定角度α傾斜してアンモニアを噴射するので、アンモニアの燃焼時間を確保することで、アンモニアの不完全燃焼を極力、抑制できる。
【0100】
図12を参照すると、アンモニアガス供給配管151bに設けた遮断弁54が開放され、バーナノズル172Bに設けたガス燃料配管遮断弁71Bと、戻り配管176に設けた遮断弁177とを閉じることにより、アンモニアガスは、アンモニアガス供給配管151b→第1接続部72→バーナノズル172Bを経由し、第2ノズル173Bに供給される。更に、第1ノズル175から噴射される微粉炭火炎の長さ方向に対して垂直な断面を円に近似した場合、図12の矢印に示すように、第2ノズル173Bの第2噴射口173hは、この円の接線方向にアンモニアを噴射する。
【0101】
図12を参照して、アンモニアが微粉炭火炎の周囲を微粉炭の燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向に沿うように、かつ、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に所定角度α傾斜してアンモニアを噴射するので、アンモニアの燃焼距離が長くなることにより、アンモニアの燃焼時間が確保され、アンモニアが完全燃焼されることが可能となる。
【0102】
〔燃焼試験〕
次に、第3実施形態による燃焼装置6Cを用いた、燃焼試験の結果を説明する。図13は、第3実施形態による燃焼装置を用いて、燃焼試験したときに用いたアンモニア燃焼量の計時変化を示すグラフである。
【0103】
図14は、第3実施形態による燃焼装置を用いて、燃焼試験したときに用いた石炭使用量の計時変化を示す図であり、図14(a)は、単位時間当たりの石炭使用量の計時変化を示すグラフ、図14(b)は、単位時間当たりの石炭使用量の計時変化を示す表、図14(c)は、発電設備の平均出力の計時変化を示す表である。
【0104】
図15は、第3実施形態による燃焼装置を用いて、燃焼装置の出口のアンモニア濃度を計測した計測点を示す図である。
【0105】
図16は、第3実施形態による燃焼装置を用いて、燃焼装置の出口のNOx値の計時変化を示す図であり、図16(a)は、NOx値の計時変化を示すグラフ、図16(b)は、NOx値の計時変化を示す表、図16(c)は、発電設備の平均出力の計時変化を示す表である。
【0106】
図17は、第3実施形態による燃焼装置を用いて、燃焼装置から排出される排気ガス中のCO2含有量の計時変化を示す図であり、図17(a)は、単位時間当たりのアンモニア注入量とCO2含有量の計時変化を示すグラフ、図17(b)は、単位時間当たりのアンモニア注入量とCO2含有量の計時変化を示す表である。
【0107】
図1で開示した火力発電設備1において、以下のアンモニア混焼による燃焼試験を行った。
【0108】
図13に示すように試験期間は7日間とし、1日目の13時から17時まで、2日目〜6日目の10時から17時まで、及び7日目の10時から13時までにおいて、最大450kg/hのアンモニア(なお、これは気化器20の最大流量であり、石炭400kgに相当する)を使用した。
【0109】
より詳細には、1日目の13時〜15時においては100kg/hのアンモニアを燃焼し、1日目の15時〜16時においては200kg/hのアンモニアを燃焼し、1日目の16時〜17時においては400kg/hのアンモニアを燃焼し、2日目以降は450kg/hのアンモニアを燃焼した。
【0110】
又、基本的には、ボイラを155MWの負荷で運転したため、アンモニアの混焼率は約0.6%(1MW相当)であったが、5日目のみにおいては、ボイラを120MWの負荷で運転したため、アンモニアの混焼率は約0.8%であった。なお、排ガス量超過がない範囲でアンモニアを燃焼した。
【0111】
又、燃焼に用いた液体アンモニアは、純度99.98%、水分0.016%、油分が1.0ppm未満であり、アンモニアと混焼した石炭の炭種は、マウントオーエンが60%、ボカブライプレミアムが40%である。
【0112】
(ボイラメタル温度)
図15を参照して、ボイラ6内に設けられた配管などの金属部分の温度、すなわちボイラメタル温度を、石炭専焼時と、アンモニアと石炭の混焼時とにおいて測定した。測定箇所は、1次過熱器出口、再熱器出口、2次過熱器入口、2次過熱器中間、2次過熱器出口の6箇所である。
【0113】
図15を参照して、測定の結果、ボイラの負荷が155MWの場合には、1次過熱器出口のボイラメタル温度は400〜450℃、再熱器出口のボイラメタル温度は500〜550℃、2次過熱器入口のボイラメタル温度は400〜450℃、2次過熱器中間のボイラメタル温度は450〜500℃、2次過熱器出口のボイラメタル温度は500〜600℃であり、石炭専焼時と、アンモニアと石炭の混焼時とでは、ほぼ変化がなかった。
【0114】
同様に、ボイラの負荷が120MWの場合には、1次過熱器出口のボイラメタル温度は400〜450℃、再熱器出口のボイラメタル温度は500〜600℃、2次過熱器入口のボイラメタル温度は400〜450℃、2次過熱器中間のボイラメタル温度は450〜550℃、2次過熱器出口のボイラメタル温度は500〜600℃であり、石炭専焼時と、アンモニアと石炭の混焼時とでは、ほぼ変化がなかった。
【0115】
すなわち、ボイラ6内の温度分布に、アンモニアを石炭と混焼した影響は、ほぼ見られなかった。
【0116】
(石炭量評価〕
図14は、混焼前と混焼後の1時間当たりの石炭使用量、及び、双方の石炭使用量の差を示す。なお、図14(b)の表は、(a)のグラフで用いた数値を表形式で示し、図14(c)の表は、図14(c)内の最も左の列で示される日にちの平均値を示す。
【0117】
図14を参照すると、混焼前に比較した混焼後の石炭使用量の減少分は、7日間の平均で、0.50T/hとなった。すなわち、アンモニア燃焼量の450kg/hは、石炭減少量の500kg/h(無水)とほぼ同じとなった。また、1〜7日目を比較すると、5日目の石炭減少量が、最大値の1.96T/hとなった。なお、上記の繰り返しとなるが、燃焼に用いた石炭の炭種は、マウントオーエン60%、ボカブライプレミアム40%である。
【0118】
(ボイラ出口NOx値)
図15を参照して、[A系]及び[B系]で示される断面図中の十字で示されるような、ボイラ出口のA系24点、B系24点の合計48点において、ECO(節炭器)出口ガスのNOx値を測定した。
【0119】
図16は、混焼前と混焼後のボイラ出口におけるNOx値を示す。なお、1日目においては種々の機器の調整を実行し、3日目においてはNOx計の点検をしたために、データから除外している。又、図16(b)の表は、図16(a)のグラフで用いた数値を表形式で示し、図16(c)の表は、発電所出力、混焼率、及び図16(c)内の最も左の列で示される日にちの差の平均値を示す。また、混焼前の値は、アンモニア注入前30分の値であり、混焼後の値は、アンモニア注入後30分ごとに4点乃至5点のデータを取った、その平均値である。
【0120】
図16(c)を参照して、アンモニアの混焼率が約0.8%の5日目においては、他の日に比較して、アンモニアの混焼率が約0.6%から約0.8%に上昇したのに反して、混焼後のボイラ出口におけるNOx値が、混焼前より大きく減少することを確認した。
【0121】
又、図16(c)を参照して、アンモニアの混焼率が約0.6%であった、2日目、4日目、6日目、7日目においては、混焼前に比較した混焼後のNOx値の増加量は安定しないと共に、その平均値は、0.17ppmとプラスの値を示した一方で、アンモニアの混焼率が約0.8%であった5日目の、混焼前に比較した混焼後のNOx値の増加量は、−13.75ppmとマイナスの値となったことを確認した。
【0122】
これにより、アンモニアを石炭と混焼させる場合、アンモニア混焼率は0.8%以上が望ましく、又、アンモニア供給量を増加させるほど、NOx値を低減できる可能性が示唆された。
これは、
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
の化学反応式で示されるような、無触媒脱硝反応が進行したためであると推定される。
【0123】
(ボイラ出口アンモニア濃度)
図15を参照すると、ボイラ出口の合計10点において、ECO(節炭器)出口ガスのアンモニア濃度を測定した所、燃料へのアンモニア注入前のアンモニア濃度は0.3ppmであり、燃料へのアンモニア注入後のアンモニア濃度は0.1〜0.4ppmであった。すなわち、燃料へのアンモニア注入後においても、ボイラ出口にはアンモニアはほとんど残留しておらず、アンモニアは完全燃焼していることが確認された。
【0124】
これは、アンモニアが微粉炭火炎の周囲を螺旋状の軌跡を描くよう、アンモニアを微粉炭火炎の接線方向に噴射し、アンモニアの燃焼距離を長く取ったことにより、アンモニアの燃焼時間が確保されたためであると推定される。
【0125】
(CO2分析)
図15を参照すると、ボイラの出口2点において、ボイラからの排気ガスの組成を測定した。図17は、ボイラの出力、アンモニア注入量と、ボイラからの排気ガス中のCO2量を示す。なお、(b)の表は、(a)のグラフで用いた数値を表形式で示す。
【0126】
図17を参照すると、当初のCO2量が12.8%である所、アンモニアの混焼率は、0.6%〜0.8%であるため、CO2量はそれらの数値の積である0.1%程度しか減少しないことが予測されたが、実際には、0.2〜1.3%減少した。
【0127】
又、混焼率が約0.6%の場合における年間二酸化炭素削減量は、約3.99(千t−CO2/年)であり、混焼率が約0.8%の場合における年間二酸化炭素削減量は、約4.12(千t−CO2/年)であった。(なお、算定にあたっては、二酸化炭素排出係数は、平成27年度の電気事業者別排出係数(中国電力:0.0007t−CO2/kWh)を使用し、設備稼働率は70%として算出した。)混焼したアンモニアがボイラ内で全て燃焼できたため、混焼した率に応じて、二酸化炭素排出量が削減できたものと考えられる。
【0128】
以上、本実施形態によると以下の効果を有する。
(1)本発明による燃焼装置は、微粉炭とアンモニアを火炉の内部で混焼する燃焼装置であって、アンモニアを燃焼させた火炎が微粉炭を燃焼させた火炎の周囲を微粉炭の燃焼火炎の噴射方向を中心軸とする仮想円の接線方向に沿うように、微粉炭の燃焼火炎の噴射方向側に傾斜してアンモニアを噴射するので、アンモニアの燃焼時間を確保することで、アンモニアの不完全燃焼を極力、抑制できる。
【0129】
本実施形態によると、アンモニアが微粉炭火炎の周囲を接線方向に噴射され、アンモニアの燃焼距離が長くなることにより、アンモニアの燃焼時間が確保され、アンモニアが完全燃焼される。
【0130】
(2)本発明による燃焼方法は、第1ノズルから燃焼可能に噴射される微粉炭に対して、第2ノズルから燃焼可能に噴射されるアンモニアの混焼率を0.8%以上とすることで、窒素酸化物の発生を極力、抑制できる。
【0131】
本実施形態によると、燃焼に用いたアンモニアが、同時に、燃焼により発生する排気ガス中のNOxを脱硝する作用を有することにより、アンモニアを有効活用することが可能となる。
【符号の説明】
【0132】
1 火力発電設備
2 アンモニアガス供給設備
3 アンモニアガス燃料用配管設備
6 ボイラ(火炉)
6A・6B・6C・6D バーナ(燃焼装置)
7 制御部
10 貯蔵タンク
11 気化器起動弁
12 気化器圧力調整弁
13 気化器バイパス弁
20 気化器
21 アキュムレータ起動弁
22 アキュムレータ圧力調整弁
23 アキュムレータバイパス弁
30 アキュムレータ
31、33、34、52、54 遮断弁
32 圧力調整弁
36 パージ弁
37 パージ用ガス供給部
40 ヘッダー
50 流量計
51 流量調整弁
53 バーナ弁
54 遮断弁
55 アンモニア流出遮断弁
60A バーナ
61 冷却空気弁
62 バーナ
62A、62B、62C、62D ガスバーナ
70 ガス燃料供給部
71、71B ガス燃料配管遮断弁
72 第1接続部
80 アンモニアガス吸収部
90 脱硝設備
110、110a、110b、120、120a、120b、130、131、131a、131b、132、140、150、150a、150b 配管
133 パージ配管
151a アンモニアガス流出配管
151b アンモニア供給配管
160 冷却配管
170 ガス燃料配管
171 第1ガスリング
172、172A、172B、172C、172D、172E バーナノズル
173A〜173E 第2ノズル
173h 第2噴射口
174 重軽油バーナ
175 第1ノズル
175h 第1噴射口
176 戻り配管
177 遮断弁
178 第2ガスリング
178A・178C・178D・178E 第3ノズル
179 第3ガスリング
179A・179B・179C・179D・179E 第4ノズル
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13
図14
図15
図16
図17
【国際調査報告】