JP7661602B2 - Ammonia fuel boiler - Google Patents
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Description
本開示は、アンモニア燃料ボイラに関する。 This disclosure relates to an ammonia-fueled boiler.
従来、アンモニアが燃料として火炉内に供給されるボイラが知られている。アンモニアが燃料として用いられる場合、窒素酸化物(NOx)が排出されるのを抑制する必要がある。例えば、特許文献1で開示されるボイラでは、複数段あるバーナのうち上段のバーナにはアンモニア燃料が供給されず、これによりNOxの排出が抑制される。
Conventionally, boilers are known in which ammonia is supplied as fuel into the furnace. When ammonia is used as fuel, it is necessary to suppress the emission of nitrogen oxides (NOx). For example, in the boiler disclosed in
発明者らの知見によれば、NOxの排出量を抑制するためには、アンモニア燃料の供給開始前に他の燃料を用いてボイラ内の燃焼環境を適正化することが好ましい。しかし、特許文献1にはこういった構成の具体的な開示はない。
According to the inventors' findings, in order to suppress NOx emissions, it is preferable to optimize the combustion environment in the boiler by using another fuel before starting to supply ammonia fuel. However,
本開示の目的は、NOxの発生を抑制できるアンモニア燃料ボイラを提供することである。 The objective of this disclosure is to provide an ammonia-fueled boiler that can suppress the generation of NOx.
本発明の少なくとも一実施形態に係るアンモニア燃料ボイラは、
火炉壁を含む火炉と、
前記火炉壁に設けられたバーナユニットと、
燃料を前記バーナユニットに供給する供給システムと
を備え、
前記バーナユニットは、
炭素含有燃料を前記火炉内に噴射する燃料バーナと、
液体アンモニアが供給されるように構成されたアンモニア供給路と、前記アンモニア供給路から供給される前記液体アンモニアを液状のまま前記火炉内に噴射するように構成されたアンモニア噴射ノズルとを備えるアンモニアバーナと
を含み、
前記供給システムは、燃料として前記炭素含有燃料と共に前記液体アンモニアを前記バーナユニットに供給し、前記炭素含有燃料を用いた燃焼が行われている前記火炉内に前記アンモニア噴射ノズルから前記液体アンモニアを噴射して、前記炭素含有燃料とアンモニアとの混焼が行われる。
At least one embodiment of the ammonia-fueled boiler of the present invention comprises:
a furnace including a furnace wall;
A burner unit provided on the furnace wall;
a supply system for supplying fuel to the burner unit;
The burner unit includes:
a fuel burner for injecting a carbon-containing fuel into the furnace;
an ammonia burner including an ammonia supply passage configured to supply liquid ammonia, and an ammonia injection nozzle configured to inject the liquid ammonia supplied from the ammonia supply passage into the furnace while it is in a liquid state,
The supply system supplies the liquid ammonia to the burner unit together with the carbon-containing fuel as fuel, and the liquid ammonia is injected from the ammonia injection nozzle into the furnace in which combustion using the carbon-containing fuel is performed, thereby co-combusting the carbon-containing fuel and ammonia.
本開示によれば、NOxの発生を抑制できるアンモニア燃料ボイラを提供できる。 This disclosure provides an ammonia-fueled boiler that can suppress the generation of NOx.
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。 Below, several embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. However, the dimensions, materials, shapes, relative positions, etc. of the components described as the embodiments or shown in the drawings are not intended to limit the scope of the present invention and are merely illustrative examples.
図1は、一実施形態に係るボイラ運転システム1の概念図である。
ボイラ運転システム1は、例えば図示外の火力発電プラントに組み込まれるボイラ2と、ボイラ2に空気及び燃料を供給するための供給システム15と、ボイラ2の運転に関するパラメータを計測するための計測システム9とを備える。
供給システム15からボイラ2に供給される燃料には、アンモニア燃料が含まれる。アンモニア燃料は、液体アンモニアまたはアンモニアガスのいずれであってもよい。以下では、アンモニア燃料が液体アンモニアである実施形態を例示する。一実施形態では、ボイラ2に液体アンモニアが液状のまま供給される。液体アンモニアは水素ガスなどの気体を含まないが、ボイラ2での燃焼に影響を与えない程度の不純物(例えば尿素)を含んでいてもよい。液体アンモニアはボイラ2内でアンモニアガスに気化する。
また、供給システム15からボイラ2に供給される燃料には、アンモニア燃料以外の他の燃料が含まれる。例えば、ボイラ2内では他の燃料を用いた燃焼が行われた後に、アンモニアと他の燃料との混焼またはアンモニアの専焼が行われる。
アンモニア以外の他の燃料の一例である炭素含有燃料は、バイオマス燃料または化石燃料などである。化石燃料は、液化天然ガス、重油または軽油などの油、もしくは微粉炭などの石炭である。以下では、炭素含有燃料が油と微粉炭である実施形態を例示する。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a
The
The fuel supplied from the
Furthermore, the fuel supplied from the
The carbon-containing fuel, which is an example of a fuel other than ammonia, is a biomass fuel or a fossil fuel. The fossil fuel is liquefied natural gas, oil such as heavy oil or light oil, or coal such as pulverized coal. In the following, an embodiment in which the carbon-containing fuel is oil and pulverized coal is exemplified.
一実施形態のボイラ2は、火炉壁19を含む火炉20と、火炉壁19に設けられた少なくとも1つのバーナユニット30とを含む。
火炉20は、バーナユニット30によって噴射された燃料が燃焼用空気と反応して燃焼するための筒状の中空体であり、例えば、円筒形状や四角柱状など種々の形態をとり得る。
また、一実施形態の火炉20は、火炉20内に向けて突出するノーズ11を含む。ノーズ11は、火炉20の燃焼空間7で生じたガス(例えば燃焼ガス及び未燃焼ガス)が、火炉20の下流側にある流路に適正に流れるように構成される。火炉20の下流側にある流路は一例として煙道8である。
少なくとも1つのバーナユニット30は、燃料が火炉20の燃焼空間7で燃焼するように構成される。図1で例示される実施形態では、バーナユニット30は、燃焼空間7で生じたガスが流れる方向(図1の矢印A)に沿って3段に分かれて配置される。以下では、ガスの流れ方向の下流側から順に各段のバーナユニット30を第1バーナユニット31、第2バーナユニット32、及び第3バーナユニット33という場合があり、これら3段のバーナを総称してバーナユニット30という場合がある。なお、バーナユニット30は、2段または4段などに分かれて配置されてもよい。
一実施形態のボイラ2は旋回燃焼型ボイラであり、各段に設けられたバーナユニット30は、火炉20の周方向に沿って等間隔に複数配置される。各段のバーナユニット30の個数は一例として4個であるが、図1では各段のバーナユニット30を1つのみ図示している。なお、各段のバーナユニット30は、3個または5個以上であってもよい。
他の実施形態に係るボイラ2は、対向燃焼型ボイラである。この場合、各段のバーナユニット30は、互いに対向する位置に少なくとも一対設けられる。
The
The
Moreover, the
At least one
The
The
各々のバーナユニット30は、少なくとも1つのバーナを含む。そして、少なくとも1つのバーナユニット30では、上記バーナが、液体アンモニアを液状のまま火炉20の内部に噴射するように構成されたアンモニアバーナ50である。アンモニアバーナ50は、液体アンモニアのみを噴射するように構成されてもよい。もしくはアンモニアバーナ50は、炭素含有燃料を噴射した後に、炭素含有燃料と共に(または炭素含有燃料に代えて)液体アンモニアを噴射するように構成されてもよい。
一実施形態では、第1バーナユニット31がアンモニアバーナ50を含む。第2バーナユニット32と第3バーナユニット33は、アンモニアバーナ50を含んでもよいし、含まなくてもよい。他の実施形態では、アンモニアバーナ50は、第2バーナユニット32または第3バーナユニット33のみに含まれてもよい。
さらに、いずれのかのバーナユニット30は、炭素含有燃料を火炉20内に噴射するための燃料バーナ35(図4参照)を含んでもよい。詳細は後述する。
Each
In one embodiment, the
Additionally, any of the
一実施形態では、供給システム15は、バーナユニット30に1次空気及び燃料を供給するように構成される。バーナユニット30へ供給される燃料(本例では液体アンモニア及び炭素含有燃料)は切り替わってもよい。例えば、いずれかの段のバーナユニット30では、炭素含有燃料(例えば油)が供給された後に液体アンモニアが供給されてもよい。
一実施形態の供給システム15は、バーナユニット30よりも下流側で火炉壁19に設けられた供給部4を介して2次空気(アディショナルエア)を供給するように構成される。
In one embodiment, the
In one embodiment, the
一実施形態の計測システム9は、供給システム15から供給される空気または燃料の流量を計測するための複数の流量計と、火炉20内の代表温度を計測するための火炉温度計6とを含む。火炉20内の代表温度は、火炉20の燃焼空間7におけるガスの温度であるガス温度と相関する温度である。一例として火炉20内の代表温度は、上述のノーズ11の内壁面の温度(以下、ノーズ温度という)である。ノーズ温度は、火炉温度計6によって計測される。なお、火炉20内の代表温度は、例えばガス温度であってもよい。
The
ボイラ運転システム1は、オペレータによる操作によって運転されてもよいし、後述の制御装置5(図5参照)による制御によって運転されてもよいし、またはこれらの組み合わせによって運転されてもよい。
一実施形態の火炉20内では、アンモニア燃料以外の他の燃料(本例では炭素含有燃料)が燃焼した後にアンモニア燃料の供給が開始され、アンモニア燃料と他の燃料との混焼が行われてもよい。
The
In the
一実施形態では、アンモニア燃料の供給を開始するための条件として判定条件が用いられる。判定条件は、空気比が上限値以下であり、且つ、火炉20内の代表温度が下限値以上であると満たされる。
判定条件を構成する上記の空気比は、火炉20に供給される他の燃料を燃焼させるために必要な理論空気量に対する火炉20への空気供給量の比である。一実施形態では、上記した火炉20への空気供給量には2次空気(アディショナルエア)が含まれない。つまり本例では、判定条件を構成する空気比は、火炉20に供給される全空気のうち2次空気以外の空気が占める供給割合を全空気比に乗じた値でもある。具体的には、判定条件を構成する空気比(以下、バーナ部空気比という場合がある)は、以下の式(1)によって規定される。
λb=λ×(100-AA)/100 ・・・式(1)
式(1)において、λbはバーナ部空気比であり、λは全空気比であり、AAはボイラ2への全空気供給量のうちで2次空気の供給割合である。
また、全空気比(λ)は、式(2)、式(3)、及び式(4)によって規定される。
λ=QAir/Qx ・・・式(2)
Qx=Qmf×Amf ・・・式(3)
Amf=(100-X)/100×Acar+X/100×ANH3 ・・・式(4)
式(2)~式(4)において、QAirは全空気供給量である。また、Qmfは、火炉20内で行われる燃焼がアンモニア混焼(重量換算での混焼率:X%)であるときのアンモニア燃料と他の燃料(本例では炭素含有燃料)との供給量である。Qxは、該混焼時に空気比が1となるための空気流量である。Amfは、上記混焼が行われるときの燃料(本例ではアンモニア燃料と炭素含有燃料)の理論空気量であり、Acarは、炭素含有燃料の理論空気量であり、ANH3はアンモニア燃料の理論空気量である。
式(1)~式(3)は、アンモニア燃料と炭素含有燃料との混焼についても適用できる式である。そして、判定条件を構成する空気比(つまり、アンモニア燃料の供給開始前のバーナ部空気比)を求めるには、X及びANH3を各々0に設定し、且つQmfを炭素含有燃料のみの供給量に設定して、式(1)~式(3)を適用すればよい。なお、以下では、アンモニア燃料の供給開始前に限らず、アンモニア混焼またはアンモニア専焼が行われるときも含めて、式(1)によって規定されるλbをバーナ部空気比という場合がある。
In one embodiment, a judgment condition is used as a condition for starting the supply of ammonia fuel. The judgment condition is satisfied when the air ratio is equal to or lower than an upper limit and the representative temperature in the
The above-mentioned air ratio constituting the judgment condition is the ratio of the amount of air supplied to the
λ b =λ×(100-AA)/100...Formula (1)
In formula (1), λ b is the burner air ratio, λ is the total air ratio, and AA is the proportion of secondary air supplied to the total air supply to the
In addition, the total air ratio (λ) is defined by equations (2), (3), and (4).
λ=Q Air /Q x ...Formula (2)
Q x =Q mf ×A mf ...Formula (3)
A mf = (100-X)/100×A car +X/100×A NH3 ...Formula (4)
In formulas (2) to (4), Q Air is the total air supply amount. Q mf is the supply amount of ammonia fuel and other fuel (carbon-containing fuel in this example) when the combustion performed in the
Formulas (1) to (3) are also applicable to the mixed combustion of ammonia fuel and carbon-containing fuel. To obtain the air ratio constituting the judgment condition (i.e., the burner section air ratio before the start of the supply of ammonia fuel), X and A NH3 are each set to 0, and Q mf is set to the supply amount of only the carbon-containing fuel, and formulas (1) to (3) are applied. In the following, λ b defined by formula (1) may be referred to as the burner section air ratio, not only before the start of the supply of ammonia fuel, but also when ammonia mixed combustion or ammonia mono-combustion is performed.
一実施形態では、判定条件を構成するバーナ部空気比の上限値は、0.8以下である。バーナ部空気比が0.8以下の条件下で火炉20へのアンモニア燃料の供給が開始されれば、アンモニア燃料の燃焼開始時のバーナ部空気比も0.8以下となる。これにより、火炉20内で生成されるNOxが効果的に低減する。
判定条件を構成するバーナ部空気比の上限値は、0.7以下であってもよい。この場合、空気比が0.7以下となる条件下でアンモニア燃料の燃焼が開始され、過剰なNOxの生成が抑制される。
なお、火力発電プラントに用いられる一般的な体格を有するボイラ2では、バーナ部空気比が0.6未満になることは現実的ではない。従って、判定条件を構成するバーナ部空気比は、好ましくは0.6以上かつ0.8以下であり、より好ましくは0.6以上かつ0.7以下である。
In one embodiment, the upper limit of the burner air ratio constituting the judgment condition is 0.8 or less. If the supply of ammonia fuel to the
The upper limit of the burner air ratio constituting the judgment condition may be 0.7 or less. In this case, combustion of ammonia fuel is started under the condition that the air ratio is 0.7 or less, and excess generation of NOx is suppressed.
In addition, in a
一実施形態では、判定条件を構成する火炉20内の代表温度は既述のノーズ温度である。ノーズ温度の下限値は1120℃以上である。発明者らの知見によれば、ノーズ温度が1120℃以上であれば、ガス温度は1400℃以上であり、比較的短い炉内滞留時間でアンモニアの熱分解が十分に行われることが判明した。従って、ノーズ温度が1120℃以上であるときにアンモニア燃料の供給が開始されることで、NOxの発生を抑制することができる。
なお、炉内滞留時間は、燃料が火炉20に投入されてからノーズ11に到達するまでの時間である。炉内滞留時間は、例えば、1次空気及び2次空気の空気流量と炭素含有燃料の供給流量、火炉20の断面積(一定値)、及び火炉20の高さ(一定値)に基づき算出可能である。従って、炉内滞留時間は、計測システム9に含まれる複数の流量計の計測結果に基づき取得可能である。
In one embodiment, the representative temperature in the
The residence time in the furnace is the time from when the fuel is charged into the
一実施形態の判定条件には、他燃料(本例では炭素含有燃料)の炉内滞留時間が0.5秒以上であることが含まれてもよい。発明者らの知見によれば、アンモニアの炉内滞留時間が0.5秒以上であれば、火炉20に投入されるアンモニア燃料が十分に熱分解することが判明した。他の燃料の炉内滞留時間が0.5秒以上のときにアンモニア燃料の供給が開始されるので、アンモニアの炉内滞留時間も0.5秒以上にでき、NOxの生成量を低減できる。
炉内滞留時間が長いほど、アンモニア燃料の熱分解には有利な燃焼環境が形成される。ただし、火力プラントに用いられる一般的な体格を有するボイラ2では、燃料(他燃料とアンモニア燃料を含む)の炉内滞留時間は、長くて例えば2.0秒から3.0秒である。従って、判定条件を構成する炉内滞留時間は0.5秒以上かつ3.0秒以下であってもよいし、0.5秒以上かつ2.0秒以下であってもよい。
The judgment conditions in one embodiment may include that the residence time of the other fuel (carbon-containing fuel in this example) in the furnace is 0.5 seconds or more. According to the findings of the inventors, it was found that if the residence time of ammonia in the furnace is 0.5 seconds or more, the ammonia fuel fed into the
The longer the residence time in the furnace, the more favorable the combustion environment for the thermal decomposition of the ammonia fuel is formed. However, in a
図2は、一実施形態に係るボイラ2の運転方法を示すフローチャートである。以下、「ステップ」を「S」を略記する場合がある。
Figure 2 is a flowchart showing a method for operating the
一実施形態に係るボイラ2の運転方法ではまず、アンモニア燃料以外の他の燃料の燃焼が火炉20内で開始される(S11)。一実施形態では、ボイラ2の負荷上昇時(例えばボイラ2の起動時)に、供給システム15がアンモニア燃料以外の他の燃料(本例では炭素含有燃料)をバーナユニット30に供給する。なお、ボイラ2の負荷は、一例として、ボイラ2が発生させた蒸気の熱量である。
In one embodiment of the method for operating the
続いて、上述の判定条件が満たされるか否かが判定される(S13)。一実施形態のS13では、バーナ部空気比が0.8以下であり、且つ、火炉20内の代表温度としてのノーズ温度が1120℃以上であるか判定される。判定条件が満たされるかは、計測システム9の計測結果に基づき判定される。
一実施形態では、ボイラ2の負荷上昇時において、判定条件が満たされるまで(S13:NO)、他の燃料を用いた燃焼が火炉20内で行われる。これにより、火炉20内の温度は上昇する。発明者らの知見によれば、ボイラ2の熱負荷上昇時、火炉20内のガス温度は比較的低く、このときにアンモニア燃料が火炉20に供給されると過剰なNOxが生成されることが判明した。ボイラ2の負荷上昇時に判定条件が充足されるまでアンモニア燃料の供給が開始されないので、NOxの発生を抑制できる。なお、ボイラ2の負荷上昇時とは、ボイラ(2)の熱負荷が低下した後に上昇する時を含む概念である。
他の実施形態では、S13において、バーナ部空気比が0.8以下であるか判定される代わりに、バーナ部空気比が0.7以下であるか判定されてもよい。また、S13の判定条件には、他の燃料の炉内滞留時間が0.5秒以上であることが含まれてもよい。この場合、計測システム9の計測結果に基づき他燃料の炉内滞留時間が取得される。また、判定条件とは別の条件が満たされるかがS13において併せて判定されてもよい。
Next, it is determined whether the above-mentioned judgment conditions are satisfied (S13). In one embodiment, in S13, it is determined whether the burner air ratio is 0.8 or less and the nose temperature as the representative temperature in the
In one embodiment, when the load of the
In another embodiment, instead of determining whether the burner air ratio is 0.8 or less in S13, it may be determined whether the burner air ratio is 0.7 or less. The determination conditions in S13 may include that the residence time of the other fuel in the furnace is 0.5 seconds or more. In this case, the residence time of the other fuel in the furnace is acquired based on the measurement results of the
判定条件が少なくとも満たされると判定された場合(S13:YES)、アンモニア燃料の供給が開始される(S15)。
一実施形態では、供給システム15は、炭素含有燃料と共にアンモニア燃料をバーナユニット30に供給し、アンモニア燃料と炭素含有燃料との混焼が火炉20内で行われる。このときの熱量換算でのアンモニア混焼率は、一例として20%以上である。発明者らの知見によれば、アンモニアと他の燃料との熱量換算での混焼率が20%以上である場合、火炉20内におけるNOxの生成量が増大し易い。従って、混焼率が20%以上のアンモニア混焼が行われるときのNOxの生成量を低減することの意義は大きい。
一実施形態では、アンモニア混焼時におけるバーナ部空気比は、0.6以上かつ0.7以下である。発明者らの知見によれば、バーナ部空気比が0.6以上かつ0.7以下の条件下でアンモニア混焼が行われることで、NOx排出量を抑制できる。
When it is determined that at least the determination conditions are satisfied (S13: YES), the supply of ammonia fuel is started (S15).
In one embodiment, the
In one embodiment, the burner air ratio during ammonia co-firing is 0.6 or more and 0.7 or less. According to the findings of the inventors, by performing ammonia co-firing under the condition of a burner air ratio of 0.6 or more and 0.7 or less, NOx emissions can be suppressed.
図3は、一実施形態に係るアンモニアバーナ50の構成を示す断面図である。
上述したように、ボイラ2に供給されるアンモニア燃料は一例として液体アンモニアである。アンモニアバーナ50は、供給システム15(図1参照)からの液体アンモニアが供給されるように構成されたアンモニア供給路52と、アンモニア供給路52から供給される液体アンモニアを液状のまま火炉20の内部に噴射するように構成されたアンモニア噴射ノズル54とを備える。
アンモニアバーナ50は、アシスト流体を用いずに液体アンモニアを液状のまま噴射するための1流体ノズルである。より具体的には、アンモニアバーナ50は、噴射される液体アンモニアが末広がり状の液膜になるように構成された渦巻噴射ノズル(スワールアトマイザ)である。あるいは、アンモニアバーナ50は、噴射される液体アンモニアがシート状の液膜になるように構成されたファンスプレーノズル、または、単純な液噴流の状態で液体アンモニアを噴射するように構成されたプレーンジェット型のアトマイザであってもよい。いずれの実施形態であっても、火炉20内に噴射される液体アンモニアは微粒化し易く、燃焼空間7において液体アンモニアは気化し易い。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of an
As described above, one example of the ammonia fuel supplied to the
The
一実施形態に係るアンモニアバーナ50は、火炉20内で生じる燃焼火炎を保炎するように構成された保炎効果を有する機構60をさらに備える。
難燃性を有する液体アンモニアが燃料として用いられる場合、火炉20内で失火が起こる可能性がある。失火を回避するためには、液体アンモニアは火炉20内で気化してさらに熱分解する必要がある。この点、上記の保炎効果を有する機構60が燃焼火炎を保炎することで、液体アンモニアは気化及び熱分解するための熱を得ることができるので、火炉20内における失火を抑制することができる。
The
When flame-retardant liquid ammonia is used as fuel, there is a possibility that misfire may occur in the
一実施形態に係る保炎効果を有する機構60はスワラ型である。より具体的な一例として、保炎効果を有する機構60は、アンモニア噴射ノズル54が内側に配置される内筒62と、内筒62を囲むように配置された外筒64と、スワラ65とを備える。一実施形態の外筒64は、内筒62を囲む第1外筒64Aと、第1外筒64Aを囲む第2外筒64Bとを含む。第1外筒64Aと内筒62との間には、火炉20の内部と連通する空気供給路63Aが形成される。同様に、第1外筒64Aと第2外筒64Bとの間にも、火炉20の内部と連通する空気供給路63Bが形成される。空気供給路63A、63Bを流れる空気は、供給システム15(図1参照)から供給される1次空気である。スワラ65は、空気供給路63Aに設けられ、空気供給路63Aを流れる空気に旋回力を付与するように構成される。
空気供給路63Aから火炉20に供給される空気にはスワラ65によって旋回力が付与される(矢印B)。これにより、アンモニア噴射ノズル54から噴射される液体アンモニアと空気との混合が促進される。従って、火炉20の内部において液体アンモニアの拡散が促進され、火炉20内の液体アンモニアが熱分解し易い。
なお、他の実施形態では、保炎効果を有する機構60は、スワラ型に代えてディフューザ型であってもよい。また、アンモニアバーナ50は保炎効果を有する機構60を備えなくてもよい。
The
A swirling force is applied to the air supplied from the
In other embodiments, the
図4は、一実施形態に係るバーナユニット30の具体的な構成の説明図である。
図4で示されるバーナユニット30は、アンモニアの混焼率が熱量換算で約50%となった後、アンモニア専焼に切り替わるように構成される。
バーナユニット30は、一例として既設のバーナのユニットである。従って、バーナユニット30の一部の構成要素は不使用であってもよい。あるいは、該構成要素は、アンモニア混焼時のみに使用され、アンモニア専焼時には不使用であってもよい。
各段のバーナユニット30は、5つの噴射手段40を含む。各々の噴射手段40は、燃料または空気を火炉20に供給するように構成される。一例として、各々の噴射手段40は、既述のアンモニアバーナ50、炭素含有燃料を噴射するための燃料バーナ35、または、1次空気を噴射するための空気ノズル42のいずれかである。
バーナユニット30の第1バーナユニット31、第2バーナユニット32、及び第3バーナユニット33ではいずれも、同じ構成が採用される。具体的には、最も外側にある2つの噴射手段40はいずれも空気ノズル42であり、中央にある噴射手段40はアンモニアバーナ50である。そして、アンモニアバーナ50と上側の空気ノズル42との間にある噴射手段40は燃料バーナ35であり、残る1つの噴射手段40は使用されない。
図4の例では、バーナユニット30の燃料バーナ35はいずれも、炭素含有燃料として微粉炭を噴射するように構成された石炭バーナである。
一実施形態では、第1バーナユニット31のアンモニアバーナ50から噴射される燃料は液体アンモニアのみであり、第2バーナユニット32と第3バーナユニット33のアンモニアバーナ50から噴射される燃料は、油と液体アンモニアである。
FIG. 4 is an explanatory diagram of a specific configuration of the
The
Each
The
In the example of FIG. 4, all of the
In one embodiment, the fuel injected from the
バーナユニット30は例えば以下のように作動する。
はじめに、炭素含有燃料を用いた燃焼が行われる。具体的には、空気ノズル42が1次空気を噴射し、燃料バーナ35が微粉炭を噴射する。このとき、第1バーナユニット31のアンモニアバーナ50は作動せず、第2バーナユニット32と第3バーナユニット33の各々のアンモニアバーナ50は油を噴射する。
その後、第1バーナユニット31のアンモニアバーナ50から液体アンモニアが噴射され、残る2つのアンモニアバーナ50から噴射される燃料は油から液体アンモニアに切り替わる。これにより、アンモニアの混焼が火炉20内で行われる。その後、バーナユニット30の3つの燃料バーナ35では微粉炭の噴射が停止され、火炉20に噴射される燃料は3つのアンモニアバーナ50からの液体アンモニアのみとなる。これにより、火炉20内での燃焼は、アンモニアの混焼からアンモニアの専燃に切り替わる。
The
First, combustion using a carbon-containing fuel is performed. Specifically, the
Thereafter, liquid ammonia is injected from the
図5は、一実施形態に係るボイラ運転システム1の具体的な構成である。ボイラ運転システム1は、既述のボイラ2、供給システム15、及び計測システム9に加えて、ボイラ2の運転を制御するための制御装置5を備える。
一実施形態の制御装置5は、プロセッサ91、ROM92、RAM93、及びメモリ94を含む。
プロセッサ91は、ROM92に記憶されるボイラ運転プログラムを読み出してRAM93にロードし、ボイラ運転プログラムに含まれる命令を実行するように構成される。プロセッサ91は、CPU、GPU、MPU、DSP、これら以外の各種演算装置、又はこれらの組み合わせである。プロセッサ91は、PLD、ASIC、FPGA、及びMCU等の集積回路により実現されてもよい。メモリ94は、ボイラ運転プログラムの実行に伴い各種データが記憶される。メモリ94は一例としてフラッシュメモリである。プロセッサ91は、供給システム15と計測システム9とに電気的に接続されている。
一実施形態のプロセッサ91は、アンモニア燃料以外の他の燃料を火炉20内で燃焼させるための他燃料燃焼指令と、アンモニア燃料の供給を供給システム15に開始させるためのアンモニア供給開始指令と、アンモニアの専焼を火炉20内で開始させるためのアンモニア専焼開始指令とを生成するように構成される。一実施形態では、これらの制御指令は供給システム15に送られる。
一実施形態のプロセッサ91は、計測システム9の計測結果に基づき既述の判定条件が満たされると判定した場合、アンモニア供給開始指令を生成する。また、一実施形態のプロセッサ91は、アンモニア専焼を開始するためのアンモニア専焼条件が満たされると判定した場合、アンモニア専焼指令を開始する。アンモニア専焼条件は、例えば、火炉20内の代表温度が規定の温度に到達したこと、アンモニア混焼が開始されてから規定時間が経過したこと、オペレータから規定の入力操作があったのち所定のパラメータが設定値に到達したこと、またはこれらの組み合わせなどである。
5 is a specific configuration of a
In one embodiment, the
The
The
The
供給システム15は、1次空気を供給するための1次空気供給システム110、2次空気を供給するための2次空気供給システム120、液体アンモニアを供給するためのアンモニア供給システム100、油を供給するための油供給システム80、及び、微粉炭を供給するための微粉炭供給システム70を備える。油供給システム80と微粉炭供給システム70は各々、炭素含有燃料を供給するためのシステムの一例である。
1次空気、液体アンモニア、微粉炭、及び油はバーナユニット30に供給され、2次空気は火炉壁19に設けられた供給部4に供給される。上記供給システム15は、制御装置5によって制御されるように構成される。
The
The primary air, liquid ammonia, pulverized coal, and oil are supplied to a
1次空気供給システム110の空気供給ライン112は全てのバーナユニット30に接続される。空気供給ライン112には、1次空気の流量を調整するための流量調整弁116、及び空気供給ライン112の連通状態を切り替えるための切替弁118が設けられる。
2次空気供給システム120の空気供給ライン122は供給部4に接続される。空気供給ライン122には、2次空気の流量を調整するための流量調整弁126、及び空気供給ライン122の連通状態を切り替えるための切替弁128が設けられる。
流量調整弁116、126と切替弁118、128は、制御装置5から送られる制御指令に応じて作動するように構成される。
An
An
The flow
アンモニア供給システム100は、既述のアンモニアバーナ50と、液体アンモニアが貯留されるアンモニアタンク101と、アンモニアタンク101とアンモニアバーナ50とをつなぐアンモニア供給ライン102と、アンモニア供給ライン102に設けられたポンプ103と、アンモニア供給ライン102の圧力を調整するための圧力調整弁105と、アンモニア供給ライン102に設けられると共にアンモニアタンク101とアンモニアバーナ50との連通状態を切り替えるための切替弁107と、アンモニア供給ライン102を流れる液体アンモニアの流量を調整するための流量調整弁108とを備える。
圧力調整弁105、切替弁107、及び流量調整弁108はプロセッサ91からの制御指令に応じて作動するように構成される。これにより、アンモニア供給システム100は、いずれのアンモニアバーナ50にも液体アンモニアを供給しない供給停止状態と、全てのアンモニアバーナ50に液体アンモニアを供給する供給状態との間で変化できる。後述のように、アンモニア供給システム100が供給停止状態のとき、第2バーナユニット32と第3バーナユニット33のアンモニアバーナ50には、油供給システム80から油が供給される。
The
The
一実施形態の油供給システム80は、油供給装置81、油供給装置81とアンモニアバーナ50とをつなぐ油供給ライン82、油供給ライン82を流れる油の流量を調整するための油流量調整弁86、及び、油供給ライン82の連通状態を切り替えるための切替弁88を備える。本例の油供給ライン82は、第2バーナユニット32と第3バーナユニット33の各々のアンモニアバーナ50に接続される。
一実施形態では、油供給装置81、油流量調整弁86、及び切替弁88は、制御装置5からの制御指令に応じて作動するように構成される。これにより、油供給システム80は、油供給ライン82に接続されたアンモニアバーナ50に油を供給する供給状態と、油の供給を停止する供給停止状態との間で変化できる。
なお、他の実施形態では、油供給ライン82は、油を噴射するための燃料バーナ35と接続されてもよい。また、油供給ライン82は、アトマイズ蒸気が流入するように構成されてもよい。この場合、油とアトマイズ蒸気がバーナユニット30に供給される。
An
In one embodiment, the
In another embodiment, the
一実施形態の微粉炭供給システム70は、搬送ガスを用いて微粉炭を供給するための微粉炭供給装置71、微粉炭供給装置71とバーナユニット30とをつなぐ微粉炭供給ライン72、微粉炭供給ライン72を流れる微粉炭の流量を調整するための微粉炭流量調整弁76、及び、微粉炭供給ライン72の連通状態を切り替えるための切替弁78を備える。本例の微粉炭供給ライン72は、第1バーナユニット31、第2バーナユニット32、及び第3バーナユニット33の各々の燃料バーナ35に接続される。
微粉炭供給装置71、微粉炭流量調整弁76、及び切替弁78は、制御装置5からの制御指令に応じて作動するように構成される。これにより、微粉炭供給システム70は、微粉炭の供給を停止する供給停止状態と、微粉炭をバーナユニット30に供給する供給状態との間で変化できる。微粉炭供給システム70が供給状態のとき、石炭バーナとして機能する既述の燃料バーナ35(図4参照)に微粉炭が供給される。
A pulverized
The pulverized
計測システム9は、1次空気供給システム110によって供給される1次空気の流量を計測するための空気流量計114、2次空気供給システム120によって供給される2次空気の流量を計測するための空気流量計124、アンモニア供給システム100によって供給されるアンモニア燃料の流用を計測するためのアンモニア流量計109、油供給システム80によって供給される油の流量を計測するための油流量計84、微粉炭供給システム70によって供給される微粉炭の流量を計測するための微粉炭流量計74、及び既述の火炉温度計6を含む。
これらの流量計は計測結果をプロセッサ91に送るように構成される。これにより、一実施形態のプロセッサ91は、判定条件の充足の有無を判定することができる。
The
These flow meters are configured to send measurement results to the
ボイラ運転システム1は、プロセッサ91から送られる制御指令によって、例えば以下のように作動する。
はじめに、プロセッサ91から供給システム15に他燃料燃焼指令が送られる。これにより、1次空気供給システム110と2次空気供給システム120が各々、空気を供給する。このとき、アンモニア供給システム100は供給停止状態であり、油供給システム80と微粉炭供給システム70はいずれも供給状態である。従って、バーナユニット30には油と微粉炭が供給される。このとき、第1バーナユニット31のアンモニアバーナ50は停止しており、第2バーナユニット32と第3バーナユニット33のアンモニアバーナ50は油を噴射する。
その後、判定条件が満たされたことに応じて、プロセッサ91から供給システム15にアンモニア供給開始指令が送られる。油供給システム80は供給停止状態に変化し、アンモニア供給システム100は供給状態に変化する。これにより、第1バーナユニット31は液体アンモニアを噴射し、第2バーナユニット32と第3バーナユニット33から噴射される燃料は油から液体アンモニアに切り替わる。微粉炭供給システム70は供給状態を維持する。結果、ボイラ2ではアンモニアと微粉炭との混焼が行われる。
その後、アンモニア専焼条件が満たされたことに応じて、制御装置5は供給システム15にアンモニア専焼指令を送る。微粉炭供給システム70は供給停止状態に変化し、石炭バーナとして機能していた燃料バーナ35は停止する。また、アンモニア供給システム100は液体アンモニアの供給量を増やす。結果、ボイラ2ではアンモニアの専焼が行われる。
なお、他の実施形態では、プロセッサ91から他燃料燃焼指令を受信した供給システム15は、初めに油をバーナユニット30に供給してから、油及び微粉炭をバーナユニット30に供給してもよい。また、アンモニア供給開始指令が供給システム15に送られた後、アンモニア燃料と油との混焼が行われてもよいし、アンモニア燃料、微粉炭、及び油の混焼が行われてもよい。
The
First, a command to burn other fuels is sent from the
Thereafter, in response to the determination condition being satisfied, an ammonia supply start command is sent from the
After that, in response to the ammonia combustion condition being satisfied, the
In another embodiment, the
図6は、一実施形態に係るボイラ運転制御処理を示すフローチャートである。ボイラ運転制御処理は、例えば、ボイラ運転システム1のオペレータが開始指示を入力することで開始される。
Figure 6 is a flowchart showing a boiler operation control process according to one embodiment. The boiler operation control process is started, for example, when an operator of the
ボイラ運転制御処理ではまず、プロセッサ91が、他燃料燃焼指令を生成する(S51)。一実施形態では、ボイラ2の負荷上昇時(例えばボイラ2の起動時)に、プロセッサ91はS51を実行する。生成された他燃料燃焼指令が供給システム15に送られることで、アンモニア燃料以外の他の燃料の一例である炭素含有燃料を用いた燃焼が開始される。具体的な一例として、供給システム15とバーナユニット30は既述の通り作動し、油と炭素含有燃料を用いた燃焼が開始される。
S51を実行するプロセッサ91は、他の燃料(本例では炭素含有燃料)を火炉20内で燃焼させるための他燃料燃焼指令を生成する他燃料燃焼指令部の一例である。
In the boiler operation control process, first, the
The
続いて、プロセッサ91は、判定条件が満たされたか否かを計測システム9の計測結果に基づき判定する(S53)。
S53を実行するプロセッサ91は、判定条件が満たされるか否かを判定する判定部の一例である。
一実施形態の判定条件は、以下の条件(A)~(C)を含み、(A)~(C)が全て満たされた場合に、プロセッサ91は判定条件が満たされたと判定する。
(A)他の燃料(本例では炭素含有燃料)を燃焼させるために必要な理論空気量に対する火炉20への空気供給量の比である空気比が0.8以下である。
(B)火炉20内の代表温度であるノーズ温度が1120℃以上である。
(C)火炉20内における他の燃料の炉内滞留時間が0.5秒以上である。
条件(A)が満たされるか否かは、式(1)~式(3)と計測システム9の計測結果に基づいて判定される。条件(B)が満たされるか否かは、火炉温度計6の計測結果に基づいて判定される。条件(C)が満たされるか否かは、計測システム9の計測結果に基づいて判定される。
判定条件が満たされるまで(S53:NO)、プロセッサ91は待機する。一実施形態では、ボイラ2の負荷上昇時において判定条件が満たされるまでの期間、他の燃焼が火炉20内で燃焼する。
なお他の実施形態では、条件(A)で規定される空気比の上限値は0.7であってもよい。
Next, the
The
In one embodiment, the judgment conditions include the following conditions (A) to (C), and if all of (A) to (C) are satisfied, the
(A) The air ratio, which is the ratio of the amount of air supplied to the
(B) The nose temperature, which is the representative temperature inside the
(C) The residence time of other fuels in the
Whether or not condition (A) is satisfied is determined based on equations (1) to (3) and the measurement results of the
The
In still another embodiment, the upper limit of the air ratio defined by condition (A) may be 0.7.
判定条件が満たされると判定した場合(S53:YES)、プロセッサ91は、アンモニア供給開始指令を生成する(S55)。生成されたアンモニア供給開始指令は供給システム15に送られる。このときの供給システム15とバーナユニット30は既述の通り作動する。
S55を実行するプロセッサ91は、火炉20へのアンモニア燃料の供給を供給システム15に開始させるためのアンモニア供給開始指令を生成するように構成されたアンモニア供給指令生成部の一例である。
一実施形態では、ボイラ2でのアンモニア混焼率(熱量換算)は20%以上かつ50%以下である。また、このときの火炉20内のバーナ部空気比が0.7以下である。
When it is determined that the determination condition is satisfied (S53: YES), the
The
In one embodiment, the ammonia co-firing rate (calorific value) in the
続いて、プロセッサ91は、ボイラ2内でアンモニアの専焼が行われるためのアンモニア専焼条件が満たされたかを判定する(S57)。一実施形態のアンモニア専焼条件は、例えば、S53の開始から一定時間が経過したことである。
プロセッサ91は、アンモニア専焼条件が満たされるまでの間(S57:NO)、待機する。この間、アンモニアと他の燃料との混焼がボイラ2内で行われる。
Next, the
The
アンモニア専焼条件が満たされると判定した場合(S57:YES)、プロセッサ91は、アンモニア専焼指令を生成する。生成されたアンモニア専焼指令は供給システム15に送られる。供給システム15とバーナユニット30は既述の通り作動し、アンモニアの専焼が行われる。
一実施形態では、アンモニア専焼時におけるバーナ部空気比は0.9以下である。これにより、アンモニア専焼時において、二酸化炭素とNOxの各々の排出量を抑制することができる。
When it is determined that the ammonia combustion condition is satisfied (S57: YES), the
In one embodiment, the burner air ratio during ammonia combustion is 0.9 or less. This makes it possible to suppress the amounts of carbon dioxide and NOx emitted during ammonia combustion.
(まとめ)
以下、幾つかの実施形態に係るボイラ2の運転方法、ボイラ用の制御装置5について概要を記載する。
(summary)
Below, an overview is given of a method for operating a
(1)本発明の少なくとも一実施形態に係るボイラ(2)の運転方法は、
アンモニア燃料以外の他の燃料を火炉(20)内で燃焼させるステップ(S11、S51)と、
前記火炉(20)に供給される前記他の燃料を燃焼させるために必要な理論空気量に対する前記火炉(20)への空気供給量の比である空気比(バーナ部空気比)が上限値以下であり、且つ、前記火炉(20)内の代表温度が下限値以上である判定条件が満たされるか否かを判定するステップ(S13、S53)と、
前記判定条件が少なくとも満たされる場合に前記火炉(20)への前記アンモニア燃料の供給を開始するステップ(S15、S55)と、
を備え、
前記判定条件を構成する前記空気比の前記上限値は0.8以下である。
(1) A method for operating a boiler (2) according to at least one embodiment of the present invention includes the steps of:
A step (S11, S51) of burning a fuel other than ammonia fuel in a furnace (20);
a step (S13, S53) of determining whether or not a determination condition is satisfied that an air ratio (burner air ratio), which is a ratio of an amount of air supplied to the furnace (20) to a theoretical amount of air required for combusting the other fuel supplied to the furnace (20), is equal to or lower than an upper limit value, and a representative temperature in the furnace (20) is equal to or higher than a lower limit value;
A step (S15, S55) of starting the supply of the ammonia fuel to the furnace (20) when at least the determination condition is satisfied;
Equipped with
The upper limit value of the air ratio constituting the judgment condition is 0.8 or less.
発明者らの知見によれば、判定条件を構成する空気比(バーナ部空気比)が0.8以下の条件でアンモニアが火炉(20)内で燃焼すると、火炉(20)内で生成されるNOxが効果的に低減することが判明した。また、NOxの生成を抑制するには、アンモニアの火炉(20)内での熱分解が必要であり、火炉(20)内のガス温度が一定温度以上であると、この熱分解は促進されることが判明した。そして、火炉(20)内の代表温度は火炉(20)内のガス温度と相関する。上記(1)の構成によれば、NOxの発生を抑制できる条件下でアンモニア燃料の供給を開始するボイラ(2)の運転方法が実現する。 According to the findings of the inventors, it has been found that when ammonia is burned in the furnace (20) under the condition that the air ratio (burner section air ratio) constituting the judgment condition is 0.8 or less, the amount of NOx generated in the furnace (20) is effectively reduced. It has also been found that in order to suppress the generation of NOx, thermal decomposition of ammonia in the furnace (20) is necessary, and this thermal decomposition is promoted when the gas temperature in the furnace (20) is at or above a certain temperature. The representative temperature in the furnace (20) correlates with the gas temperature in the furnace (20). According to the configuration of (1) above, a method of operating a boiler (2) that starts the supply of ammonia fuel under conditions that can suppress the generation of NOx is realized.
(2)幾つかの実施形態では、上記(1)の構成において、
前記ボイラ(2)の熱負荷の上昇時において、前記判定条件が満たされるまでの期間(S13:NO、S53:NO)、前記他の燃料を燃焼させ、前記判定条件の充足後、前記火炉(20)への前記アンモニア燃料の供給を開始する。
(2) In some embodiments, in the configuration of (1),
When the thermal load of the boiler (2) increases, the other fuel is combusted until the judgment condition is satisfied (S13: NO, S53: NO), and after the judgment condition is satisfied, the supply of the ammonia fuel to the furnace (20) is started.
発明者らの知見によれば、ボイラ(2)の熱負荷の上昇時では火炉(20)内のガス温度が比較的低く、このときにアンモニア燃料が火炉(20)内に供給されると、過剰なNOxが生成されることが判明した。この点、上記(2)の構成によれば、ボイラ(2)の負荷上昇時において、判定条件が充足されるまでアンモニア燃料の供給が開始されないので、NOx排出量を抑制することができる。 The inventors have found that when the heat load of the boiler (2) increases, the gas temperature in the furnace (20) is relatively low, and if ammonia fuel is supplied to the furnace (20) at this time, excessive NOx is generated. In this regard, according to the configuration of (2) above, when the load of the boiler (2) increases, the supply of ammonia fuel is not started until the judgment condition is satisfied, so that NOx emissions can be suppressed.
(3)幾つかの実施形態では、上記(1)または(2)の構成において、
前記判定条件を構成する前記空気比の前記上限値は0.7以下である。
(3) In some embodiments, in the configuration of (1) or (2),
The upper limit value of the air ratio constituting the judgment condition is 0.7 or less.
発明者らの知見によれば、バーナ部空気比が0.7以下であると、火炉(20)内の酸素の割合が低減し、アンモニア燃料が火炉(20)内に供給されることに伴い生成されるNOxの量が低減することが判明した。また、バーナ部空気比が0.7以下であると、火炉(20)内においてアンモニアとNOxとの還元反応が促進され、NOx排出量が低減することが判明した。従って、上記(3)の構成によれば、NOx排出量を抑制できる。 According to the findings of the inventors, when the burner air ratio is 0.7 or less, the proportion of oxygen in the furnace (20) is reduced, and the amount of NOx generated by supplying ammonia fuel into the furnace (20) is reduced. In addition, when the burner air ratio is 0.7 or less, the reduction reaction between ammonia and NOx in the furnace (20) is promoted, and NOx emissions are reduced. Therefore, according to the above configuration (3), NOx emissions can be suppressed.
(4)幾つかの実施形態では、上記(1)から(3)のいずれか構成において、
前記判定条件を構成する前記代表温度としての前記火炉(20)のノーズ温度の前記下限値は、1120℃以上である。
(4) In some embodiments, in any one of the configurations (1) to (3) above,
The lower limit of the nose temperature of the furnace (20) as the representative temperature constituting the judgment condition is 1120° C. or higher.
発明者らの知見によれば、火炉(20)内のガス温度が1400℃以上の場合、比較的短い炉内滞留時間でアンモニアの熱分解が十分に行われることが判明した。さらに、ノーズ温度が1120℃以上である場合、ガス温度が1400℃以上になることが判明した。上記(4)の構成によれば、ノーズ温度が1120℃以上になると、アンモニア燃料の供給が開始されるので、NOx排出量を抑制できる。 The inventors have found that when the gas temperature in the furnace (20) is 1400°C or higher, the thermal decomposition of ammonia is sufficient with a relatively short residence time in the furnace. Furthermore, it has been found that when the nose temperature is 1120°C or higher, the gas temperature becomes 1400°C or higher. According to the above configuration (4), when the nose temperature becomes 1120°C or higher, the supply of ammonia fuel begins, thereby suppressing NOx emissions.
(5)幾つかの実施形態では、上記(1)から(4)のいずれかの構成において、
前記判定条件は、前記他の燃料が前記火炉(20)に投入されてから前記火炉(20)のノーズ(11)に到達するまでの炉内滞留時間が0.5秒以上である。
(5) In some embodiments, in any one of the configurations (1) to (4) above,
The judgment condition is that the residence time of the other fuel in the furnace from when it is charged into the furnace (20) until it reaches the nose (11) of the furnace (20) is 0.5 seconds or more.
発明者らの知見によれば、アンモニアの炉内滞留時間が0.5秒以上であれば、火炉(20)に投入されるアンモニア燃料の80パーセント以上が熱分解されることが判明した。上記(5)の構成によれば、他の燃料の炉内滞留時間が0.5秒以上のときに、アンモニア燃料の供給が開始されるので、アンモニアの燃焼開始時の炉内滞留時間も0.5秒以上にできる。これにより、NOx排出量を抑制できる。 The inventors have found that if the residence time of ammonia in the furnace is 0.5 seconds or more, 80 percent or more of the ammonia fuel fed into the furnace (20) is thermally decomposed. According to the configuration of (5) above, the supply of ammonia fuel begins when the residence time of other fuels in the furnace is 0.5 seconds or more, so that the residence time of ammonia in the furnace at the start of combustion can also be 0.5 seconds or more. This makes it possible to suppress NOx emissions.
(6)幾つかの実施形態では、上記(1)から(5)のいずれかの構成において、
前記火炉(20)において、供給された前記アンモニア燃料と前記他の燃料との混焼率が熱量換算で20%以上である。
(6) In some embodiments, in any one of the configurations (1) to (5) above,
In the furnace (20), a mixed combustion ratio of the supplied ammonia fuel and the other fuel is 20% or more in terms of heat amount.
発明者らの知見によれば、アンモニアと他の燃料との混焼率が20%以上である場合、火炉(20)内におけるNOxの生成量が増大し易い。従って、混焼率が20%以上の条件下でNOxの生成量を低減することの意義は大きい。上記(6)の構成によれば、混焼率が20%以上の燃焼が開始される前に判定条件が充足される。従って、混焼率が20%以上である場合であっても、NOxの生成量を低減できる。 According to the findings of the inventors, when the ratio of ammonia and other fuels mixed is 20% or more, the amount of NOx generated in the furnace (20) is likely to increase. Therefore, it is significant to reduce the amount of NOx generated under conditions where the ratio of ammonia mixed is 20% or more. According to the configuration of (6) above, the judgment condition is satisfied before combustion with a ratio of 20% or more is started. Therefore, even when the ratio of ammonia mixed is 20% or more, the amount of NOx generated can be reduced.
(7)幾つかの実施形態では、上記(1)から(6)のいずれかの構成において、
前記アンモニア燃料の供給を開始するステップ(S15、S55)では、アンモニア混焼率が熱量換算で50%以下であり、かつ、前記火炉(20)内の前記空気比が0.7以下となるように、前記アンモニア燃料の供給を開始し、
前記アンモニア燃料の供給開始後、前記火炉(20)内の前記空気比が0.9以下となるように、前記アンモニア燃料の専焼を行うステップ(S59)を備える。
(7) In some embodiments, in any one of the configurations (1) to (6) above,
In the step (S15, S55) of starting the supply of the ammonia fuel, the supply of the ammonia fuel is started so that the ammonia mixed combustion ratio is 50% or less in terms of heat amount and the air ratio in the furnace (20) is 0.7 or less;
The method further includes a step (S59) of performing mono-combustion of the ammonia fuel so that the air ratio in the furnace (20) is 0.9 or less after starting the supply of the ammonia fuel.
発明者らの知見によれば、熱量換算での混焼率が50%以下であり、且つバーナ部空気比が0.7以下となる条件下でアンモニア混焼が行われた場合、NOx排出量が低減する。また、発明者らの知見によれば、バーナ部空気比が0.9以下となる条件下でのアンモニア専焼はNOx排出量の排出量を更に低減できる。上記(7)の構成によれば、NOx排出量を低減しつつ、アンモニア混焼とアンモニア専焼とを順に行うことができる。また、アンモニア専焼を行うことで、二酸化炭素の排出量を抑制することができる。
また、アンモニア混焼時のバーナ部空気比を0.7以下とすることで、未燃アンモニアの生成量の増加を抑制することよりも、NOx排出量の増加の抑制を優先することができる。従って、アンモニア混焼時においても、NOx排出量を効果的に抑制することができる。
According to the findings of the inventors, when ammonia co-combustion is performed under conditions where the co-combustion ratio in terms of heat amount is 50% or less and the burner air ratio is 0.7 or less, NOx emissions are reduced. Also, according to the findings of the inventors, ammonia mono-combustion under conditions where the burner air ratio is 0.9 or less can further reduce NOx emissions. According to the above configuration (7), ammonia co-combustion and ammonia mono-combustion can be performed in sequence while reducing NOx emissions. Also, by performing ammonia mono-combustion, carbon dioxide emissions can be suppressed.
In addition, by setting the burner air ratio at 0.7 or less during ammonia co-firing, it is possible to prioritize suppression of an increase in NOx emissions over suppression of an increase in the amount of unburned ammonia produced. Therefore, even during ammonia co-firing, NOx emissions can be effectively suppressed.
(8)本発明の少なくとも一実施形態に係るボイラ用の制御装置(5)は、
火炉(20)、および、アンモニア燃料および他の燃料を前記火炉(20)内に供給するように構成された供給システムを備えるボイラ(2)用の制御装置であって、
前記他の燃料を火炉(20)内で燃焼させるための他燃料燃焼指令を生成する燃焼指令生成部(91)と、
前記火炉(20)に供給される前記他の燃料を燃焼させるために必要な理論空気量に対する前記火炉(20)への空気供給量の比である空気比が上限値以下であり、且つ、前記火炉(20)内の代表温度が下限値以上である判定条件が満たされるか否かを判定するための判定部(91)と、
前記判定条件が少なくとも満されると前記判定部が判定した場合(S53:YES)、前記火炉(20)への前記アンモニア燃料の供給を前記供給システムに開始させるためのアンモニア供給開始指令を生成するように構成されたアンモニア供給指令生成部(91)と、
を備え、
前記判定条件を構成する前記空気比の前記上限値は0.8以下である。
(8) At least one embodiment of the present invention relates to a boiler control device (5),
A control device for a boiler (2) comprising a furnace (20) and a supply system configured to supply ammonia fuel and other fuels into the furnace (20), comprising:
A combustion command generating unit (91) that generates a combustion command for burning the other fuel in the furnace (20);
a determination unit (91) for determining whether or not a determination condition is satisfied that an air ratio, which is a ratio of an amount of air supplied to the furnace (20) to a theoretical amount of air required for combusting the other fuel supplied to the furnace (20), is equal to or lower than an upper limit value, and a representative temperature in the furnace (20) is equal to or higher than a lower limit value;
an ammonia supply command generation unit (91) configured to generate an ammonia supply start command for causing the supply system to start supplying the ammonia fuel to the furnace (20) when the determination unit determines that at least the determination condition is satisfied (S53: YES);
Equipped with
The upper limit value of the air ratio constituting the judgment condition is 0.8 or less.
上記(8)の構成によれば、上記(1)と同様の理由により、NOxの発生を抑制できる条件下でアンモニア燃料の供給を開始するボイラ用の制御装置(5)が実現する。 The configuration of (8) above, for the same reason as (1) above, realizes a boiler control device (5) that starts the supply of ammonia fuel under conditions that can suppress the generation of NOx.
(実施例1)
図7を参照して、バーナ部空気比とNOxの排出量との関係を燃焼試験により特定した結果を説明する。図7は、バーナ部空気比とNOxの排出量との関係を示すグラフである。
本燃焼試験では、鉛直方向に延びるドロップチューブ炉(DTF)と、単一バーナ試験炉とが用いられた。DTFで行われた燃焼試験は、アンモニアの専焼、アンモニアと微粉炭の混焼、及び微粉炭の専焼である。アンモニア混焼時の混焼率は熱量換算で25%または50%である。また、単一バーナ試験炉で行われた燃焼試験は、微粉炭の専焼である。
Example 1
The results of identifying the relationship between the burner air ratio and the amount of NOx emissions through a combustion test will be described with reference to Fig. 7. Fig. 7 is a graph showing the relationship between the burner air ratio and the amount of NOx emissions.
In this combustion test, a vertical drop tube furnace (DTF) and a single burner test furnace were used. The combustion tests conducted in the DTF were ammonia mono-combustion, ammonia and pulverized coal co-combustion, and pulverized coal mono-combustion. The co-combustion ratio in ammonia co-combustion was 25% or 50% in terms of heat value. The combustion test conducted in the single burner test furnace was pulverized coal mono-combustion.
はじめに、アンモニア専焼時におけるバーナ部空気比とNOx排出量との関係について検討する。図7で示される通り、バーナ部空気比が1.0となるアンモニア専焼のNOx排出量は、DTFまたは単一バーナ試験炉での微粉炭専焼のNOx排出量の6倍以上である。一方で、バーナ部空気比が0.9以下となるアンモニア専焼のNOx排出量は、微粉炭専焼時よりも低くなることが判った。特にバーナ部空気比が0.8のアンモニア専焼のNOx排出量は、本燃焼試験において最も低くなることが判った。さらに、バーナ部空気比が0.8未満となるアンモニア専焼のNOx排出量は、バーナ部空気比が0.8のときの排出量以下になることが予測される。なぜなら、バーナ部空気比が低くなるほど、燃焼空間7において燃焼に用いられる酸素が少なく、結果として、窒素の酸化反応よりもアンモニアガスの熱分解が促進され、またNOxの還元反応も促進されるからである(アンモニア混焼またはアンモニア専焼が行われるときも同様の傾向が現れると考えられる)。以上の検討から、アンモニア専焼のNOx排出量を低減するためには、バーナ部空気比の上限値が、0.9以下であることが好ましく、0.8以下であることはさらに好ましく、0.7以下であることはさらに好ましいことが判る。なお、火力発電に用いられる一般的な体格を有するボイラ2が稼働する場合、バーナ部空気比が0.6未満となることは現実的ではない(このことは、アンモニア混焼または微粉炭専焼が行われるときにも該当する)。従って、バーナ部空気比の下限値は0.6以上である。
First, we will consider the relationship between the burner air ratio and NOx emissions during ammonia combustion. As shown in Figure 7, the NOx emissions from ammonia combustion with a burner air ratio of 1.0 are more than six times the NOx emissions from pulverized coal combustion in a DTF or single burner test furnace. On the other hand, it was found that the NOx emissions from ammonia combustion with a burner air ratio of 0.9 or less are lower than those from pulverized coal combustion. In particular, it was found that the NOx emissions from ammonia combustion with a burner air ratio of 0.8 were the lowest in this combustion test. Furthermore, it is predicted that the NOx emissions from ammonia combustion with a burner air ratio of less than 0.8 will be lower than the emissions when the burner air ratio is 0.8. This is because the lower the burner air ratio, the less oxygen is used for combustion in the
次に、アンモニア混焼におけるバーナ部空気比とNOx排出量との関係について検討する。図7で示される通り、バーナ部空気比が0.8となるアンモニア混焼(混焼率:25%及び50%)では、NOx排出量が微粉炭専焼時と比べると高くなるものの、バーナ部空気比が1.0となるアンモニア専焼時に比べて著しく低減することが判った。そして、バーナ部空気比が0.7以下となるアンモニア混焼時(混焼率:50%)では、NOx排出量が、バーナ部空気比が0.8となる微粉炭専焼時の排出量に比べて低減することが判った。バーナ部空気比が0.7のときのアンモニア混焼(混焼率:25%)のNOx排出量は測定されていない。しかし、アンモニア混焼率が25%であるときの方が50%であるときよりも、NOx排出量が低くなると予測できる。なぜなら、アンモニア混焼率が低いほど、NOxの発生要因となるアンモニア燃料の火炉20への供給量が減るからである。従って、NOx排出量を低減するためには、アンモニア混焼時のバーナ部空気比の上限値が0.8以下であることが好ましく、0.7以下であることはさらに好ましいことが判る。また、アンモニア混焼が行われるときのバーナ部空気比の下限値は上述したように、0.6以上である。
Next, the relationship between the burner air ratio and NOx emissions in ammonia co-firing will be examined. As shown in FIG. 7, in ammonia co-firing with a burner air ratio of 0.8 (co-firing ratios: 25% and 50%), the NOx emissions are higher than in pulverized coal mono-firing, but are significantly lower than in ammonia mono-firing with a burner air ratio of 1.0. In addition, in ammonia co-firing with a burner air ratio of 0.7 or less (co-firing ratio: 50%), the NOx emissions are lower than in pulverized coal mono-firing with a burner air ratio of 0.8. The NOx emissions in ammonia co-firing with a burner air ratio of 0.7 (co-firing ratio: 25%) have not been measured. However, it can be predicted that the NOx emissions will be lower when the ammonia co-firing ratio is 25% than when it is 50%. This is because the lower the ammonia co-firing ratio, the less the amount of ammonia fuel supplied to the
(実施例2)
次に、図8、図9を参照して、火炉20内の代表温度、アンモニアの炉内滞留時間、及びNOx排出量の関係について説明する。
図8は、ガス温度とアンモニアの必要滞留時間との関係を示すグラフである。ガス温度は火炉20内の代表温度の一例である。必要滞留時間は、火炉20内に供給されたアンモニア燃料の80%が燃焼空間7で熱分解するために必要なアンモニア燃料の炉内滞留時間である。アンモニアの熱分解は、以下の(化学式A)によって表される。
2NH3→N2+3H2 ・・・(化学式A)
熱分解するアンモニアの割合が増えるほど、NOxに変化するアンモニアの割合は低減するので、NOx排出量は低減する。
図8で示されるグラフでは、ガス温度が1400℃のときの必要滞留時間が0.741秒であり、ガス温度が1500℃のときの必要滞留時間は、0.569秒であり、ガス温度が1600℃のときの必要滞留時間が0.452秒である。
図8から判る通り、ガス温度が1400℃以上であれば、必要滞留時間が1秒未満であってもアンモニア燃料の80%が火炉20内で熱分解されることが判る。一方、ガス温度が1300℃のとき、必要滞留時間が2秒以上になると予測され、特にガス温度が1200℃のときには、必要滞留時間が約10秒になる。このような状況下でボイラ2が稼働しても、アンモニア燃料の80%を熱分解することが困難になることが判る。
以上のことから、火炉20に供給されたアンモニア燃料の80%が燃焼空間7で熱分解するためには、ガス温度が1400℃以上であることが好ましいことが判る。
なお、図8で示される必要滞留時間は、計算により求めた数値である。火力発電プラントに用いられる一般的な体格を有するボイラ2では実際、ボイラ負荷が極めて小さくても、ガス温度は1200℃よりも十分に大きい。
Example 2
Next, the relationship between the representative temperature in the
8 is a graph showing the relationship between gas temperature and the required residence time of ammonia. The gas temperature is an example of a representative temperature in the
2NH 3 →N 2 +3H 2 ... (chemical formula A)
As the proportion of ammonia that undergoes thermal decomposition increases, the proportion of ammonia that is converted to NOx decreases, and therefore NOx emissions decrease.
In the graph shown in FIG. 8, the required residence time when the gas temperature is 1400° C. is 0.741 seconds, when the gas temperature is 1500° C. is 0.569 seconds, and when the gas temperature is 1600° C. is 0.452 seconds.
As can be seen from Fig. 8, if the gas temperature is 1400°C or higher, 80% of the ammonia fuel is thermally decomposed in the
From the above, it can be seen that in order for 80% of the ammonia fuel supplied to the
The required residence time shown in Fig. 8 is a value obtained by calculation. In a
図9は、ノーズ温度とバーナ部のガス温度との関係を示すグラフである。ガス温度が1400℃のときのノーズ温度は、1113℃であることが判る。従って、ノーズ温度が1120℃以上であれば、ガス温度が1400℃以上になり、NOx排出量が低減することが判る。 Figure 9 is a graph showing the relationship between nose temperature and gas temperature in the burner section. It can be seen that when the gas temperature is 1400°C, the nose temperature is 1113°C. Therefore, if the nose temperature is 1120°C or higher, the gas temperature will be 1400°C or higher, and it can be seen that NOx emissions will be reduced.
(実施例3)
図10を参照し、アンモニア混焼率とNOx排出量との関係を説明する。図10は、アンモニア混焼率とNOx排出量との関係を示すグラフである。図10で示されるグラフは、同じボイラ2の燃焼条件下で、アンモニア混焼率が0%、25%、50%、及び100%のときのNOx排出量を示す。なお、図10のグラフで示されるアンモニア混焼率は熱量換算での割合であり、アンモニア混焼率100%はアンモニアの専焼と同義である。
図10から判る通り、アンモニアの混焼率が20%を超えると、NOx排出量が増大することが判る。従って、混焼率が20%を超えるアンモニア混焼においてNOx排出量を低減することの意義は大きいことが判る。また、アンモニアの混焼率が50%のとき、NOx排出量が著しく増えることが判る。従って、アンモニアの混焼率が20%以上かつ50%以下のアンモニア混焼においてNOx排出量を低減することの意義は大きいことが判る。
Example 3
The relationship between the ammonia co-firing ratio and the amount of NOx emissions will be described with reference to Fig. 10. Fig. 10 is a graph showing the relationship between the ammonia co-firing ratio and the amount of NOx emissions. The graph shown in Fig. 10 shows the amount of NOx emissions when the ammonia co-firing ratios are 0%, 25%, 50%, and 100% under the same combustion conditions of the
As can be seen from Fig. 10, when the ammonia co-firing ratio exceeds 20%, the amount of NOx emissions increases. Therefore, it is very significant to reduce the amount of NOx emissions in ammonia co-firing with ammonia co-firing ratio exceeding 20%. In addition, it is seen that when the ammonia co-firing ratio is 50%, the amount of NOx emissions increases significantly. Therefore, it is very significant to reduce the amount of NOx emissions in ammonia co-firing with ammonia co-firing ratio between 20% and 50%.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and also includes variations on the above-described embodiments and appropriate combinations of these embodiments.
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
In this specification, expressions expressing relative or absolute configuration, such as "in a certain direction,""along a certain direction,""parallel,""orthogonal,""center,""concentric," or "coaxial," do not only strictly represent such a configuration, but also represent a state in which there is a relative displacement with a tolerance or an angle or distance to the extent that the same function is obtained.
For example, expressions indicating that things are in an equal state, such as "identical,""equal," and "homogeneous," not only indicate a state of strict equality, but also indicate a state in which there is a tolerance or a difference to the extent that the same function is obtained.
Furthermore, in this specification, expressions describing shapes such as a rectangular shape or a cylindrical shape do not only refer to shapes such as a rectangular shape or a cylindrical shape in the strict geometric sense, but also refer to shapes that include uneven portions, chamfered portions, etc., to the extent that the same effect is obtained.
In addition, in this specification, the expressions "comprise,""include," or "have" a certain element are not exclusive expressions that exclude the presence of other elements.
2 :ボイラ
5 :制御装置
11 :ノーズ
15 :供給システム
20 :火炉
91 :プロセッサ
2: Boiler 5: Control device 11: Nose 15: Supply system 20: Furnace 91: Processor
Claims (19)
前記火炉壁に設けられたバーナユニットと、
燃料を前記バーナユニットに供給する供給システムと
を備え、
前記バーナユニットは、
炭素含有燃料を前記火炉内に噴射する燃料バーナと、
液体アンモニアが供給されるように構成されたアンモニア供給路と、前記アンモニア供給路から供給される前記液体アンモニアを液状のまま前記火炉内に噴射するように構成されたアンモニア噴射ノズルとを備えるアンモニアバーナと
を含み、
前記供給システムは、燃料として前記炭素含有燃料と共に前記液体アンモニアを前記バーナユニットに供給し、前記炭素含有燃料を用いた燃焼が行われている前記火炉内に前記アンモニア噴射ノズルから前記液体アンモニアを噴射して、前記炭素含有燃料とアンモニアとの混焼が行われる
アンモニア燃料ボイラ。 a furnace including a furnace wall;
A burner unit provided on the furnace wall;
a supply system for supplying fuel to the burner unit;
The burner unit includes:
a fuel burner for injecting a carbon-containing fuel into the furnace;
an ammonia burner including an ammonia supply passage configured to supply liquid ammonia, and an ammonia injection nozzle configured to inject the liquid ammonia supplied from the ammonia supply passage into the furnace while it is in a liquid state,
The supply system supplies the liquid ammonia to the burner unit together with the carbon-containing fuel as fuel, and injects the liquid ammonia from the ammonia injection nozzle into the furnace in which combustion using the carbon-containing fuel is performed, thereby achieving co-combustion of the carbon-containing fuel and ammonia in an ammonia-fueled boiler.
前記アンモニア噴射ノズルによって噴射された液状のアンモニアは、前記火炉の内部でアンモニアガスに気化して燃焼する請求項1~3のいずれか1つに記載のアンモニア燃料ボイラ。 the ammonia injection nozzle is any one of a swirl injection nozzle configured to inject liquid ammonia in a divergent liquid film, a fan spray nozzle configured to inject liquid ammonia in a sheet-like liquid film, and a plain jet type atomizer configured to inject liquid ammonia in a liquid jet state;
4. The ammonia-fueled boiler according to claim 1, wherein the liquid ammonia injected by the ammonia injection nozzle is vaporized into ammonia gas inside the furnace and combusted.
前記アンモニア噴射ノズルが内側に配置される内筒と、
前記内筒を囲むように配置され、前記火炉の内部と連通する空気供給路が前記内筒との間で形成される外筒と、
前記空気供給路に設けられ、前記空気供給路を流れる空気に旋回力を付与するように構成されたスワラと
を備える請求項7に記載のアンモニア燃料ボイラ。 The mechanism having a flame-holding effect is
an inner cylinder having the ammonia injection nozzle disposed therein;
An outer cylinder is arranged to surround the inner cylinder, and an air supply passage communicating with the inside of the furnace is formed between the outer cylinder and the inner cylinder;
8. The ammonia-fueled boiler according to claim 7, further comprising: a swirler provided in the air supply passage and configured to impart a swirling force to air flowing through the air supply passage.
請求項1~10のいずれか1つに記載のアンモニア燃料ボイラ。 The supply system includes a supply unit provided on the furnace wall downstream of the burner unit and configured to supply secondary air.
An ammonia-fueled boiler according to any one of claims 1 to 10.
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