JP7387243B2 - Ammonia fuel combustion equipment - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to an ammonia fuel combustion apparatus that mixes ammonia fuel with combustion air and burns the mixture in a furnace using a burner. In particular, when ammonia fuel (e.g. ammonia gas) is mixed with combustion air and burned in a furnace using a burner, reformed ammonia fuel, which has improved combustibility by reforming the ammonia fuel, is mixed with the combustion air. The present invention is characterized in that stable combustion can be performed even at low temperatures, and combustion by reformed ammonia fuel can be controlled to suppress the generation of NOx during combustion.
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。 BACKGROUND ART Combustion devices that mix fuel with combustion air and combust it generally use hydrocarbon fuel as the fuel.
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。 However, when a hydrocarbon fuel is mixed with combustion air and combusted in a combustion device in this manner, there is a problem in that a large amount of greenhouse gases such as carbon dioxide are generated.
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。 In recent years, there has been a desire to reduce greenhouse gases such as carbon dioxide, and consideration has been given to using fuels other than hydrocarbon fuels.
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。 In addition, it has been known to use ammonia fuel as a fuel in combustion devices, but ammonia fuel has poor combustibility compared to hydrocarbon fuels, is difficult to completely burn, and is difficult to burn at low temperatures. On the other hand, if the fuel is burned strongly, the flame temperature becomes high and the amount of NOx generated increases.
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。 In order to burn ammonia fuel with poor flammability, Patent Document 1 discloses that a part of the ammonia fuel is thermally decomposed into hydrogen gas and nitrogen gas, and the hydrogen gas and nitrogen gas are mixed with the remaining ammonia fuel. In this example, the reformed ammonia fuel is mixed with combustion air and combusted.
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。
Furthermore,
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。
Here, as shown in the above-mentioned
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。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems in an ammonia fuel combustion apparatus in which ammonia fuel is mixed with combustion air and combusted in a furnace using a burner.
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。 That is, the present invention improves combustibility by improving the combustibility of the ammonia fuel when mixing the ammonia fuel with combustion air and burning it in the furnace using a burner as described above. The object of the present invention is to mix it with combustion air to enable stable combustion even at low temperatures, and to control combustion by reformed ammonia fuel to suppress the generation of NOx during combustion.
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。 In an ammonia fuel combustion apparatus according to the present invention, in order to solve the above problems, in an ammonia fuel combustion apparatus in which ammonia fuel is mixed with combustion air and combusted in a furnace by a burner, the ammonia fuel is mixed with a reformer. a first supply path that decomposes a part of the ammonia fuel into hydrogen gas and nitrogen gas and supplies reformed ammonia fuel containing the decomposed hydrogen gas and nitrogen gas to the burner; and a second supply path for supplying ammonia to the furnace, and an in-furnace environment detection sensor for detecting the environmental condition in the furnace, and based on the result detected by the in-furnace environment detection sensor, the controller controls the supply of ammonia. The first supply path and the second supply path for supplying fuel to the burner are controlled.
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。 Here, in the ammonia fuel combustion apparatus according to the present invention, the reformer includes a catalytic reforming section that houses a catalyst that decomposes ammonia fuel into hydrogen gas and nitrogen gas, and a catalytic reformer that houses a catalyst that decomposes ammonia fuel into hydrogen gas and nitrogen gas. At least one of a heating reforming section that decomposes hydrogen gas and nitrogen gas can be provided.
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。 Further, in the ammonia fuel combustion apparatus according to the present invention, the in-furnace environment detection sensor includes an in-furnace temperature detection sensor that detects the temperature in the furnace, and a NOx concentration detection sensor that detects the NOx concentration in the furnace. At least one can be provided.
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。 Moreover, in the ammonia fuel combustion apparatus according to the present invention, whether the temperature inside the furnace detected by the above-mentioned furnace temperature detection sensor increases or the NOx concentration detected by the above-mentioned NOx concentration detection sensor increases. In accordance with at least one, the controller decreases the amount of reformed ammonia fuel delivered to the burner through the first supply path while increasing the amount of ammonia fuel delivered to the burner through the second supply path. You can do it like this.
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。 Here, the control device causes the first If the amount of reformed ammonia fuel supplied to the burner through the supply channel is decreased and the amount of ammonia fuel supplied to the burner through the second supply channel is increased, combustion by the reformed ammonia fuel will be reduced, and the Even if the temperature becomes high, the generation of NOx during combustion is suppressed.
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。 In the ammonia fuel combustion apparatus according to the present invention, either the temperature inside the furnace detected by the furnace temperature detection sensor rises to a predetermined temperature, or the NOx concentration detected by the NOx concentration detection sensor increases to a predetermined value. In at least one of the above cases, the controller stops supplying the reformed ammonia fuel to the burner through the first supply path, and supplies the ammonia fuel to the burner through the second supply path. It is preferable to supply only In this way, since the temperature inside the furnace is rising, the ammonia fuel supplied to the burner is properly combusted within the furnace, and the reformed ammonia fuel is no longer combusted, so that Even if the internal temperature becomes high, the generation of NOx during combustion is suppressed.
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。 In the ammonia fuel combustion apparatus of the present invention, as described above, ammonia fuel is guided to the reformer through the ammonia supply pipe to decompose a part of the ammonia fuel into hydrogen gas and nitrogen gas, and the decomposed hydrogen gas and nitrogen gas are decomposed. A first supply path for supplying reformed ammonia fuel containing gas to the burner, and a second supply path for supplying the ammonia fuel as it is to the burner through the ammonia supply pipe are provided. Since the control device controls the first supply path and the second supply path for supplying ammonia fuel to the burner based on the environmental condition inside the furnace, hydrogen gas decomposed by the reformer passes through the first supply path. By supplying reformed ammonia fuel containing nitrogen gas and nitrogen gas to the burner and burning it, stable combustion can be achieved even when the temperature inside the furnace is low, but if the temperature inside the furnace rises, By supplying the ammonia fuel to the burner through the second supply path and combusting it, the generation of NOx during combustion is suppressed even if the temperature inside the furnace becomes high.
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。 As a result, in the ammonia fuel combustion apparatus of the present invention, when the ammonia fuel is mixed with combustion air and burned in the furnace by the burner, the ammonia fuel is mixed with hydrogen gas and nitrogen gas, which are partially decomposed ammonia fuel. By mixing reformed ammonia fuel with combustion air, stable combustion can be achieved even at low temperatures, and when the temperature inside the furnace rises, combustion with reformed ammonia fuel is controlled to reduce NOx during combustion. It becomes possible to suppress the occurrence of
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。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the ammonia fuel combustion apparatus based on embodiment of this invention is concretely demonstrated based on an accompanying drawing. Note that the ammonia fuel combustion apparatus according to the present invention is not limited to the embodiments shown below, and can be implemented with appropriate modifications without changing the gist of the invention.
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。
In the ammonia fuel combustion apparatus according to the embodiment of the present invention, as shown in FIG. A portion of NH 3 is decomposed into hydrogen gas H 2 and nitrogen gas N 2 , and reformed ammonia fuel (NH 3 +H 2 +N 2 ) containing the decomposed hydrogen gas H 2 and nitrogen gas N 2 is sent to the
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。
Here, in the
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。
Combustion air Air is supplied to the
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。
In addition, in the ammonia fuel combustion apparatus in this embodiment, as the in-furnace
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。
Here, in the ammonia fuel combustion apparatus in this embodiment, the temperature inside the furnace 1 detected by the above-mentioned furnace
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。
In the
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。 In this way, since the reformed ammonia fuel (NH 3 +H 2 +N 2 ) contains highly combustible hydrogen gas H 2 in addition to the ammonia fuel NH 3 , only the ammonia fuel NH 3 can be used. Compared to the case where the mixture is mixed with combustion air and combusted, the combustibility is improved and stable combustion can be performed.
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。
Next, as described above, the reformed ammonia fuel (NH 3 +H 2 +N 2 ) is mixed with combustion air Air and burned in the furnace 1 by the
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。
The ammonia fuel NH 3 supplied to the
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。
In this way, the ammonia fuel NH 3 is stably combusted together with the reformed ammonia fuel (NH 3 +H 2 +N 2 ) in the furnace 1 that has been heated to a predetermined temperature, and the The amount of ammonia fuel NH 3 introduced to the
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。
Further, when the ammonia fuel NH 3 and the reformed ammonia fuel (NH 3 +H 2 +N 2 ) are mixed with the combustion air Air and burned in the furnace 1 by the
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。
In this way, the ammonia fuel NH 3 supplied to the
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
1: Furnace 10: Ammonia supply pipe 11:
NH 3 +H 2 +N 2 : Reformed ammonia fuel
Claims (5)
In the ammonia fuel combustion apparatus according to claim 3, either the temperature inside the furnace detected by the furnace temperature detection sensor rises to a predetermined temperature, or the NOx concentration detected by the NOx concentration detection sensor increases to a predetermined value. is reached, the control device stops supplying the reformed ammonia fuel to the burner through the first supply path and supplies only ammonia fuel to the burner through the second supply path. An ammonia fuel combustion device characterized by supplying.
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